DE2458856C2

DE2458856C2 - Verfahren zum Oberflächenlegieren von Metall wie Stahl oder Gußeisen

Info

Publication number: DE2458856C2
Application number: DE2458856A
Authority: DE
Inventors: Daniel Santhamurthi Weymouth Mass. Gnanamuthu; Edward Valentine Rockport Mass. Locke
Original assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Current assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Priority date: 1974-01-07
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1983-11-03
Also published as: GB1457835A; FR2256962A1; CH618468A5; IT1026953B; FR2256962B1; IL46078A0; JPS6011094B2; JPS50101254A; IL46078A; CA1035675A; DE2458856A1; SE7415173L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenlegieren von Metall wie Stahl oder Gußeisen.

Es sind seil langem angewandte Verfahren bekannt, um die Beständigkeit von Metallfertig- oder halbfabri· katen einschließlich Metall. Legierungen und Verbindungen gegen Abnutzung, Abrieb. Verformung, Korrosion. Erwärmung und/oder Erosion zu verbessern. Hierzu wird beispielsweise die Oberfläche des Metalls mit einem Überzug versehen oder die Zusammensetzung und/oder Feinstruktur des Oberflächenmetalls durch Aufkohlen. Nit-iercn. Silizieren. Diffusionshärten, Aufschweißen hochlegierter Schichten. Flamm- oder Induktionshärten oder auch durch mechanische Behandlung wie beispielsweise Hämmern beeinflußt. Weiterhin vernickelt oder verchrom! man die Oberfläche galvanisch, plasma- oder feuerspritzt sie oder walzt einen Überzug auf sie auf (für Wal/werker/eugnisse in Form von Blech oder Draht).

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren /um Ausbilden einer Oberfläche:A.hicht anzugeben, die ein umkleidetes Erzeugnis mit überragenden Eigenschaften ergibt, wobei die Oberflächenschicht eines Substrates in eine Form überführt werden soll, die einen wesentlichen Anteil des Substrates als getrennte oder unterschiedliche Phase und/oder als Bestandteil einer ncugebildeten Verbindung enthält: dabei soll ebenfalls die Oberflächcnschicht eines Substrates in eine Umkleidung umgewandelt werden, indem die Oberflächenschicht in sehr kurzer Zeit geschmolzen und mit Legierungs- oder reaktionsfähigen Materialien gemischt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die Oberfläche eine Schicht eines oder mehrerer Legierungsbestandteile aufgebracht wird, daß diese Schicht und eine bestimmte Tiefe des unmittelbar darunter liegenden Materials geschmolzen, gemischt und wiederverfestigt werden längs eines linearen Arbeitsweges, indem die beschichtete Oberfläche längs dieses Weges von einem kontinuierlichen Laserstrahl von 5 bis 20 Kilowatt überstrichen wird, und daß dieser Strahl zu einem Kreis mit einem Durchmesser von 0,635 bis 17,78 mm oder einer flächenmäßig äquivalenten Form fokussiert wird und eine Überstreichgeschwindigktit von 0,127 bis 1,27 m/min aufweist, so daß längs dieses Weges eine Legierungsschicht mit vorbestimmter Tiefe erzeugt wird.

Zweckmäßig wird der Laserstrahl so abgelenkt, daß er zur Ausbildung einer Schmelzzone die beschichtete Oberfläche linear kontinuierlich bestreicht, oder er wird in Sprüngen verschoben, um in zeitlicher Aufeinanderfolge eine Gruppenanordnung derartiger Schmelzzonen zu bilden.

Vorteilhaft oszilliert der Laserstrahl seitlich in bezug auf eine lineare Bestreichrichtung, während die beschichtete Oberfläche überquert wird.

Dabei wird das seitliche Oszillieren des Laserstrahles zweckmäßig mit einer Frequenz von 100 bis 1000 Hertz durchgeführt

Bei der Ausführung des Verfahrens kann ein Substratteil mit Minoritätsbestandteilen beschichtet sein, die zu einer vorgewählten Eindringstufe in die Oberfläche des Substrats in inniger Mischung und/oder Verbindung mit dieser eingebracht werden sollen, wobei das Substratmaterial der Schicht einen erheblichen Volumenanteil — vorzugsweise im Bereich von 10 bis 90 Vol.-°/o — der Mischung ausmacht. Der Überzug kann durch andere Quellen der Minoritätsbestandteile ergänzt oder ersetzt werden.

Die Oberflächenschicht des Substrats wird unter Beaufschlagung mit einem fokussierten Strahl von Strahlungsenergie auf begrenzte Flächenteile in der Größenordnung von 6 bis 260 mm² geschmolzen, wobei man den Strahl und die Oberfläche gegeneinander verschiebt, um nacheinander eine Reihe derartiger Flächenteile zu schmelzen und wieder erstarren zu lassen und auf diese Art ein gewünschtes Muster der Oberflächenmodifikr.lion zu schaffen. Die Schmelzbedingungen werden so gesteuert, daß eine Zwangsmischung des Überzugsmaterials mit dem geschmolzenen Substratmaierial in dem Maße erhalten wird, daß der Stoffübergang infolge der Vermischung die Diffusion im Oberflächenschichtbereich überwiegt. Jeder derartige Flächenteil wird weniger als zehn Sekunden und vorzugsweise weniger als eine Sekunde im geschmolzenen Zustand gehalten. Das Substrat bildet dabei für die geschmolzenen Flächenteile einen sehr großen Kühlkörper, der ein schnelles Erstarren bei Abnahme des auftreffenden Energiestrahls sicherstellt.

Das Verfahren wird vorzugsweise bei atmosphärischem oder überatmosphärischem Druck ausgeführt, um ein Verflüchtigen von Bestandteilen der Mischung zu verhindern und die Forderungen einer Vakuumbehandlung — Haltevorrichtungen, Sauberkeit und Einrichtzeit — zu umgehen.

Vorzugsweise läßt man die Übergangszone der Energiebeaufschlagung örtlich mit einer Frequenz von 100 ... 1000 Hz hin- und herschwingen, um eine Vermischung der Bestandteile weiter zu fördern.

Hierbei kann es sich auch um eine örtliche Auslenkung des Strahls und/oder um eine Änderung der Strahlkontur handeln.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht eines Substrats in Blechform in einem frühen Zustand der Oberflächenmcdifikation;

Fig.2 eine ähnliche Schnittansicht nach beendeter Oberflächenmodifikation;

Fig.3 eine Skizze einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens;

F i g. 4 und 5 perspektivisch Teile, die einer Oberflächenmodifikation unterzogen werden;

Fig.6 und 6A bis 6D Mikrophotographien von Schnitten eines der Oberflächenmodifikation unterworfenen Substrats;

Fig. 7. 8, 9, 11, 12, 15 und 19 Kurven der Konzentration als Funktion der Schichttiefe für Minoritätsbestandteile in der Oberflächenschicht von Werkstücken, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden;

Fig. 10,13,14,16... 18.20 und 21 Kurven der Härte als Funktion der Schichttiefe für Oberflächenschichten von erfindungsgemäß behandelten Werkstücken.

In F i g. 1 ist als Substrat ein Metallteil 10 — beispielsweise ein Walzerzeugnis wie Stahlblech oder ein Produktionsteil wie ein Ventilsitz aus Stahl gezeigt Um die Abnutzungsbeständigkeit der Oberfläche zu erhöhen, ist das Substrat mit einer Schicht von Minoritätsbestandteilen, beispielsweise Chrom und Mangan versehen, um die Oberflächenschicht zu einem hochlegierfen Material zu verwandeln. Unter der Oberfläche wird eine Tiefenlinie 16 festgelegt, welche die Oberflächenschicht sowie einen Anteil des Substratmaterials definiert, der zusammen mit dem Überzug 12 aus Minoritätsbestandteilen die gewünschte Legidung ergibt. Auf das Substratteil kann eine energieabsorbierende Schicht 14 als Unterlage für den Überzug 12 aufgebracht oder diesem zugemischt werden. Aus einer geeigneten Quelle wird ein Laserstrahl 18 aufgebracht, der eine Schmelzzone 19 bis hinunter zur Tiefenlinie 16 erzeugt. Durch Gegeneinanderbewegen des Substrats 10 und des Strahls 18 wird die Schinclzzone je nach Wunsch linear kontinuierlich oder in Sprüngen verschoben und ergibt so in zeitlicher Aufeinanderfolge eine Gruppenanordnung derartiger Schmelzflächenteile. Während an irgendeinem Punkt eine Schmelzzone 19 vorhanden ist. findet eine sehr schnelle Wärmeübertragung aus dieser zu dem von dem Substrat 10 gebildeten sehr großen Kühlkörper statt. Sobald der auftreffende Strahl 18 die Schmelzzone verläßt, kühlt sie sich ab und erstarrt.

Zur Behandlung von Metallen läßt man einen Laserstrahl von 5 bis 20 kW. der zu einem Kreis von 0.635 ... 17.78 mm Durchmesser oder einer flächenmäßig gleichwertigen Kontur fokussiert ist. die zu modifizierende Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 0,127 bis 1,27 m/min überstreichen.

Ein vorgegebener Bereich der Oberflächenschicht bleibt dabei 0,1 bis 1,5 see im geschmolzenen Zustand und kühlt sich innerhalb von 0,1 bis 1,5 see auf eine unterhalb des Solidi'spunktes für die entsprechende Legierung liegende Temperatur ab. Während des Schmelzens bewirken beieits die Wärmegradienten ein erhebliches Vermischen der Minorhätsbestandteile des Überzugs mit der geschmolzenen Oberflächenschicht.

Es wird angenommen, daß zusätzlich die hohe aufgebrachte Energie eine Druckwelle verursacht welche die Bestandteile zusätzlich kräftig durchmischt Das Vermischen kann weiter gefördert werden, indem man den Auftreffpunkt der Energie örtlich ausschwingen läßt wie dies unter Bezug auf Fig.5 und 4 ausgeführt ist.

Bei vorgewärmten Substrat sind höhere Behandlungsgeschwindigkeiten möglich; vergl. Beispiel 7.

ίο In Fig.2 ist ein Substrat 10 mit gehärteter Oberflächenschicht 20 und einer Grenzschicht 22 gezeigt Die Dicke der Schicht 20 stimmt im wesentlichen mit der vorbestimmten Tiefeniinie 16 (Fig. 1) überein.

Nach Fig.3 wird das Werkstück 10 auf einen Frästisch gespannt der mit Führungen und Steuereinrichtungen versehen ist, die es gestatten, das Werkstück in rechtwinklig zueinander liegenden Richtungen zu verschieben, wie es die Doppelpfeile 11 und 13 andeuten Die x- und die y-Be*»egung können gleichzeitig oder eine von ihnen intermittierend stattfinden.

Der Strahl 18 für die oben unter Bezug auf F^: g. 1 beschriebene Behandlung wird von einem Laser 30 geliefert Der Laser 30 wirkt nach Fig.3 auf einen Strahlteiler 31, der den Strahl über einen oder mehrere Strahlleiter 36 auf mehrere Anwendungspunkte aufteilt, wobei man in Zeitteilung oder auch im Multiplex arbeitet indem man Kippspiegelanordnungen und drehbare Strahlunterbrecherscheiben einsetzt Es ist eine einstellbare Spiegelanordnung 38 vorgesehen, die den Laserstrahl aus der Optik aufnimmt und ihn ergänzend zur oder anstatt der Verschiebung des Werkstücks auf dem Tisch 39 auslenkt und gleichzeitig schwingen läßt, wie dies unter Bezug auf F i g. 5 beschrieben ist.

In Fig.4 und 5 ist perspektivisch ein Werkstück 10 gezeigt, das unter Einsatz der Vorrichtung nach F i g. 3 behandelt wird. Das Werkstück ist mit dem Überzug 12/1£ versehen, wie er unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist. Das Werkstück wird in einer durch den Pfeil IM in Fig.4 und den Pfeil US in Fig.5 angedeuteten Längsrichtung und gleichzeitig Intermittierend entsprechend dem Pfeil 13 in den Fig.4 und 5 bewegt, um eine Reihe nebeneinanderliegender Linien herzustellen.

Einer der Strahlleiter 36 ist an eine Optik 37 angeschlossen, wo der Laserstrahl zur Erwärmung des Substrats geformt wird.

Während des Rücklaufs wird der Strahl abgeschaltet oder bearbeitet während des Hinlaufs einerseits und de., Rücklaufs andererseits nebeneinanderliegende Teilflächen. Weiterhin kann der Strahl so gesteuert werden, daß er bestimmte OHerflächenteile des Überzugs 12/14 überspringt, um ein gewünschtes Muster aus harten und nicht harten Oberflächenbereichen herzustellen.

Die mit den Pfeilen IM und llß in Fig.4 und 5 angedeuteten Bewegungen finden mit einer Geschwindigkeit von ?twa 0.5 m/min statt. Der Bewegung kann nach Fig.5 jedoch ein örtliches seitliches Ausschwingen überlagert sein, wie es durch die Wellenform UC über dem Pfeil HS angedeutet ist. Die Größe des Arbeitsflecks fällt in der in Fig.4 gezeigten ersten Betriebsart mit der vollen Breite der Linien 20A

6^r zusammen und kann in der zweiten Arbeitsweise der Fig.5 erheblich geringer als die volle Breite der Linie 2OS sein; im letzteren Fall bewirken die Ausschwingungen des Arbeitsflecks relativ zur Oberfläche des Teils 10

die Abdeckung der gesamten Linienbreite, vviihrend der gleichen Oberflächenzone wiederholt Energiestöße zugeführt werden und somit eine bessere Durchmischung der geschmolzenen Oberflächenschicht des Teils IO mit dem örtlich geschmolzenen Teil des Überzugs 12 stattfindet. Derartige Gradienten lassen sich auch erreichen, wenn der Strahl auf die Breite der Linie 20S fokussiert ist. indem die Querschnittskontur des Strahles fortwahrend geändert wird, beispielsweise von einer gradlinigen auf eine Kreis- oder von einer Kreis- auf eine Sternform. Zusätzlich zu den oder anstelle der seitlichen Schwingungen können dem Strahl Längsschwingungen erteilt werden.

Beispiel I

Auf der Oberfläche der Metallerzeugnisse werden Metallpulvermischungen aufgesprüht. Diese beschichteter» OK«»*fläoh<»n ufprrlpn rtann mit pinpm Hrwhlpiclimcrt-"¹^*" ··««-·*···· ........... ........ . _o_

laserstrahl bestrichen, der die Oberfläche und das Pulver schmilzt und gleichmäßig miteinander legiert. Auf diese Weise läßt sich eine erhebliche Erhöhung der Oberflächenhärte erreichen. In einem Test wird die Stahloberfläche nach AISIC 1018 nach einem herkömmlichen Manganphosphatiervcrfahren mit einer 6,35 ... 12,7 μηι dicken Schicht von Manganphosphat versehen.

Dieses Beschichten mit Manganphosphat bewirkt eine bessere Absorption des Laserstrahls. Andere einsetzbare wärmeabsorbierende Substanzen sind Zinkphosphat, Aluminiumoxid und Ruß. Die Wahl hängt auch von der eingesetzten Wellenlänge der Wärmequelle ab. Sodann wird eine Mischung aus 6 g Kohlenpulver (Teilchengröße 45μιη), 3 g Chrompulver (10 um) und 3 g Manganpulver (45μηι) in 40 ml Isopropylalkohol gleichmäßig auf den Manganphosphatüberzug aufgesprüht. Die Dicke der locker gepackten Metallpulverschicht beträgt 12.7 μηι. Sodann wird die Stahloberfläche mit der Metallpulvermischung bei einer Relativgeschwindigkeit von 0.5 m/min mit einem örtlich ausschwingenden Laserstrahl von 11 bis 11,5 kW bestrichen, wobei der Laserstrahl eine Rechteckkontur von 2.54 · 12,7 mm hat und die lange Dimension senkrecht zur Bewegungsrichtung liegt, da in dieser Richtung die örtliche Auslenkung zur Abdeckung der gesamten Linienbreite (20ß. F i g. 5) stattfindet. Die Schwingungsfrequenz beträgt 690 Hz. Unter diesen Bedingungen schmilzt die Stahloberfläche und legiert sich gleichzeitig mit dem Kohlenstoff-, Chrom- und Manganpulver. Nach dem Schmelzen und Wiedererstarren beträgt die Härte bis in eine Tiefe ve·: 0.127 mm mehr als Rockwell C 58. während der Stahl eine Rockwell-Härte von B 93 hat.

In Fig.6 ist eine Mikrophotographie eines entsprechend dem Beispie! 1 behandelten Werkstücks bei einer Vergrößerung von 200 χ gezeigt, während F i g. 6A. 6B. 6C und 6D mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 3500 χ aufgenommene Photographien bei Riefen von 51. 75. 102 bzw. 127 μπι Tiefe unter der Oberfläche des Werkstückes im in Fig.6 gezeigten Bereich darstellen.

In F i g. 6 ist das unbeeinflußte Substrat 10. die legierte Oberflächenschicht 20 und die Zwischenschicht 22 gezeigt, die innere Grenze zwischen der Oberflächenschicht 20 und dem Substrat 10. Die Schicht 20 hat ein feineres Korngefüge als das Substrat. Die F i g. 6A bis 6D zeigen in der Schicht 20 eine zweiphasige Struktur aus martensitischen Dendriten, die in den Bereichen zwischen den Dendriten von Carbiden umgeben sind.
Fig.7, 8 und 9 zeigen die Konzentrationen von Minoritätsbestandteilen im Erzeugnis für Kohlenstoff. Chrom bzw. Mangan, wie sie sich durch die Behandlung entsprechend dem Beispiel I ergeben. Nach üblicher Praxis sind diese Kurven den ursprünglichen Datenpunkten angepaßt. Sie zeigen eine Zunahme der Minoritntsanteile in der Eisenlegierung. Der abfallende Kurventeil 93 der Kurve 91 (Fig. 9) beruht auf der Verflüchtigung des Mangans an der Oberfläche; ohne dieses Verflüchtigen würde dieser Kurventeil dem gestrichelten Teil 95 entsprechen. Ist die Einsatztiefe wesentlich größer (vgl. Beispiel 7), prägt sich der Oberflächeneffekt weniger stark aus.

Die Fig. 10 zeigt Härteprofile des Endproduktes nach der Laserstrahlbearbeitung mit örtlichem Ausschwingen. Die Schmelzzone hat eine Tiefe von 0.127 mm und eine Rockwell-Härte C 58 bis C 63. während die Rockwell-Härte für die wärniebeeinflußte 7nne tir% Stnhls R 90 und im .Stahlkern B ^! betrug. Die Tiefe der wärmebeeinflußten Zone betrug etwa 1.27 mm.

Beispiel 2

Ein Blech aus Stahl nach AISI C 1018 wird nach einem herkömmlichen Manganphosphatierverfahren mit einer 6,35 bis 12,7 μιη dicken Manganphosphatschicht vorsehen und auf diese Manganphosphatschicht ein kleiner Anteil einer Mischung aus 10g Aluminiumpulver von 45 μπι Teilchengröße in 50 ml Isoproypylalkohol gleichmäßg aufgestrichen, um der Gasentwicklung während des Schmelzens eingegenzuwirken. Sodann wird eine Mischung aus 12 g Kohlepulver (45 μιη), 6 g Chrompulver (45 μπι) in 40 ml Isopropylalkohol 20mal gleichmäßig auf den Aluminiumpulverüberzug aufgesprüht; die Dicke der lockeren Metallpulverschicht betrug dann 038 bis 0.51 mm.

Die beschichtete Oberfläche wird dann auf die unter Bezug auf Fig.4 und 5 erläutere Weise in getrennten Proben laserbehandelt, d. h. die Oberfläche einer Probe wird durch Schmelzen bis zu einer begrenzten Tiefe zum Vermischen der Minoritätsbestandteile einer Legierung mit dem vom Substrat abgeleiteten Hauptbestandteil ohne örtliches Ausschwingen gehärtet. In beiden Fällen beträgt die Schmelzzeit für eine gegebene Flächengröße 03 see und die Laserleistung 13 bis 14 kW. Beim Arbeiten ohne örtliches Ausschwingen beträgt die Bewegungsgeschwindigkeit 1.27 m/min, beim Arbeiten mit örtlichem Ausschwingen 0,51 m/min. In beiden Fällen beträgt die zum Schmelzen aufgebrachte Leistungsdichte 38.75 bis 4b,5 kW/cm² der Oberfläche

so des Werkstücks. Beim Arbeiten ohne örtliches Ausschwingen beträgt die Größe des auftreffenden Laserstrahls 635 mm, beim Arbeiten mit örtlichem Aufschwingen 234 mm · 12,7 mm in einer Rechteckgestalt, die quer zur Bewegungsrichtung gestreckt ist. da das örtliche Ausschwingen in dieser Richtung stattfindet, um die gesamte Linienbreite zu überstreichen (20Ä F i g. 5). Die Schwingungsfrequenz beträgt 690 Hz.

In F i g. 11 und 12 sind Tiefenprofile der Minoritätsbestandteile im fertigen Produkt, d. h. für Chrom und Mangan gezeigt Die oberen Kurven für Chrom und Mangan wurden mit, die unteren Kurven ohne örtliches Ausschwingen erhalten.

Fig. 13 zeigt Härteprofile in verschiedenen Endprodukten, die mit bzw. ohne örtliche Ausschwingung des Laserstrahls behandelt wurden. Ohne örtliches Ausschwingen ergeben sich Rockwell-Härten zwischen C 27 und C 44, mit örtlichem Ausschwingen Rockwell-Härten zwischen C 46 und C 58, und zwar in beiden

Fallen bis zu einer Tiefe von fast 0,762 mm. Die Kernstahlhärte beträgt dabei Rockwell B 93, die Härte der wärmebeeinflußten Zone Rockwell B 90. Die wärmebeeinflußte Zone hat dabei eine Tiefe von etwa 1.27 mm.

Beispiel 3

Die Oberfläche eines Stahlblechs nach AlSI C 1018 wird nach einem herkömmlichen ManganDhosphatierungsverfahren 6,35 bis 12,7 μπι dick mit Manganphosphat beschichtet, ein kleiner Teil einer Mischung von 10 g Aluminiumpulver (45 μπι Teilchengröße) in 50 ml Isopropylalkohol gleichmäßig auf die Manganphosphatschicht aufgestrichen, um einer Gasentwicklung während des Schmelzens entgegenzuwirken und dann eine Mischung aus 12 g Kohlepulver (45 μπι), 20 g Chrompulver (10 μ und 8 g Wolframpulver (45 μπι) in Isopropylalkohol 20mal gleichmäßig auf den Aluminiumpuiverüberzug aufgesprüht. Die Dicke des lockeren Metallpulverüberzugs beträgt 0,635 bis 0,762 mm. Die Oberfläche des Stahlblechs mit der Metallpulvermischung wird bei 0,254 m/min von einem örtlich ausschwingenden 12 kW-Laserstrahl bestrichen, dessen Strahlgröße von 2.54 · 12.7 mm beträgt, wobei die lange Abmessung quer zur Bewegungsrichtung verläuft, da das örtliche Ausschwingen in dieser Richtung stattfindet. Die Schwingungsfrequenz betrag 690 Hz. Die geschmolzene und wieder erstarrte Stahloberfläche erwies sich als innig mit dem Kohlenstoff. Chrom. Wolfram und Aluminium legiert.

F i g. 14 zeigt das Härteprofil des Endproduktes nach der Lasersirahlbehandlung unter örtlichem Ausschwingen. Die Schmelzzone ist 1.12 mm tief; in dieser Zone wird eine Rockwellhärte von C 48 bis C 53 gemessen, während die Rockwell-Härte des Kernstahls B 93 und der wärmebeeinftuGicM Zone B 90 betragt. Diese wärmebeeinflußte Zone hat eine Tiefe von etwa 3,05 mm.

Beispiel 4

Die Oberfläche eines Graugußteils mit etwa 0,2 Gew.-% Chromanteil wird mit einer 6,35 bis 12,7 μπι dicken Manganphosphatschicht nach einem herkömmlichen Mangangphosphatierungsverfahren beschichtet, dann eine Mischung von 5 g Chrompulver (10 μπι Teilchengröße) in 40 ml Isopropylalkohol lOmal gleichmäßig auf den Manganphosphatüberzug aufgesprüht; die Dicke der lockeren Metallpulverschicht beträgt 12,7 bis 25,4 μπι. Die Oberfläche des Graugußteils mit dem Chrompulver wird bei 0,76 m/min mit einem örtlich ausschwingenden Laserstrahl von 11 kW bestrichen. Die Strahlgröße beträgt 2.54 · 12,7 mm in Rechteckform und bei senkrecht zur Bewegungsrichtung liegender Abmessung, da in dieser Richtung das örtliche Ausschwingen stattfindet. Die Schwingungsfrequenz beträgt 690 Hz. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Graugußteils geschmolzen und innig mit dem Chrompulver legiert.

In F i g. 15 ist die Minoritätskonzentration für Chrom im fertigen Produkt gezeigt Die Kurve ist nach herkömmlichen statischer Praxis an die ursprünglichen Meßpup.kte angepaßt Sie zeigt eine Konzentrationszunahme des Chroms in der 0.254 mm tiefen Schmelzzone.

in Fig. io sind Härteproiiie des Endproduktes nach Laserbearbeitung mit örtlichem Ausschwingen gezeigt In der Schmelzzone beträgt die Rockwell-Härte C 60 bis C 65, während die Rockwell-Härten für denjenigen Teil des Gußstücks, der nicht laserbehandelt ist, B 95 beträgt. Die Rockwell-Härte der wärmebeeinflußten Zone beträgt C 56 bis C 61.

Beispiel 5

s Die Oberfläche einer Graugußplatte wird nach einem herkömmlichen Manganphosphatierungsverfahren mit einer 6,35 bis 12,7 μπι dicken Manganphosphatschicht versehen, dann eine Mischung von 5 g Chrompulver (10 μπι Korngröße) und 5 g Siliziumpulver (45 μπι) in 40 ml Isopropylalkohol 5mal gleichmäßig auf den Manganphosphatüberzug aufgesprüht: die Dicke des lockeren Metallpulverüberzugs beträgt 12,7 bis 25,4 μπι. Das Gußteil mit dem Chrom- und Siliumpulver wird in einem Ofen auf 399°C vorgewärmt und die Oberfläche dann bei 1,524 m/min mit einem örtlich ausschwingenden 6 kW-Laser bestrichen. Die Größe des Laserstrahls beträgt 12,7 · 12,7 mm, die Schwingungsfrequenz 69ö Hz senkrecht ^ur Bewegungsrichtung, unter diesen Bedingungen schmilzt die Gußoberfläche und legiert sich innig mit dem Chrom- und Siliziumpulver.

Die Fig. 17 zeigt das Härteprofil des fertigen Produktes nach der Laserbehandlung unter örtlichem Ausschwingen. Die Schmelzzone ist etwa 0,13 mm tief und hat eine Rockwell-Härte von C 56 bis C 60, während die Rockwell-Härten des nicht vom Laserstrahl erfaßten Werkstückteils B 95 und in der wärmebeeinflußten Zone C 45 betragen.

Beispiel 6

Die Oberfläche einer Graugußplatte wird nach einem herkömmlichen Manganphosphatierungsverfahren mit einer 635 bis 12.7 μπι dicken Manganphosphatschicht versehen und auf diese eine Mischung von 5 g Chrompulver (10 μπι Teilchengröße) in 40 ml Isopropylalkohol 5mal gleichmäßig aufgesprüht; die Dicke der lockeren Metallpulverschicht beträgt 12J bis 25,4 μπι. Die Oberfläche des Gußteils mit dem Chrompulver wird bei 0,762 m/min mit einem örtlich ausschwingenden 8 kW-Laserstrahl von 12.7· 12,7 mm bestrichen. Die

•»ο Ausschwingfrequenz beträgt 690 Hz senkrecht zur Bewegungsrichtung und 125 Hz in Bewegungsrichtung.

Unter diesen Bedingungen schmilzt die Oberfläche des Gußteils und legiert sich innig mit dem Chrompulver.

In Fig. 18 sind die Härteprofile des fertigen Produktes nach der Laserstrahlbehandlung mit örtlichem Ausschwingen gezeigt. Die Schmelzzone ist 0.254 mm tief, und die Härte in dieser Zone beträgt Rockwell C 58 bis C 67. während die Rockwell-Härten in dem nicht vom Laserstrahl erfaßten Feil des Gießlings B 98 und in der wärrnebeeinflußten 7one C 51 betragen.

Beispiel 7

Die Oberfläche eines Stahlbleches nach AISI 4815 wird nach einem herkömmlichen Manganphosphatierungsverfahren mit einer 635 bis 12,7 μπι dicken Manganphosphatschicht versehen, danach Chrompulver von 10 μπ> Korngröße gleichmäßig auf den Manganphosphatüberzug aufgestreut und stark verdichtet Die Tiefe der dichten Chrompulverschicht beträgt etwa 0,635 mm. Danach wird Kohlepulver von 45 μπι Teilchengröße gleichmäßig auf die Chrompulverschicht aufgestreut und dann stark verdichtet; die Tiefe der verdichteten Kohlepulverschicht beträgt etwa 0,254 mm. Die Stahlplatte mit dem Kohle- und dem Chrompulver wird dann auf 432° C vorgewärmt und die Oberfläche bei 023 m/min mit einem örtlich ausschwingenden 14 kW-Laserstrahl bestrichen, wobei ein

Sehtiizgasschirm aus 0,193 m^J Argon und 0,057 m¹ Wasserstoff eingesetzt wird. Die Größe des Laserstrahls beträgt 2.54 · 12,7 mm in einer Rechteckform bei senkrecht zur Bewegungsrichtung liegender langer Abmessung, denn die örtlichen Schwingungen finden in dieser Richtung statt. Die Schwingfrequcn/. beträgt 690 Hz. Unter diesen Bedingungen schmilzt die Oberfläche des Stahlblechs und legiert sich innig mit dem Kohlenstoff- und Chrompulver.

Unmittelbar nach der Lascrstrahlbchandlung svird das Stahlblech eine halbe Stunde bei 482°C na'·'.behandelt. Vor- und Nacherwärmen finden in einem Ofen statt: durch diese Maßnahmen wird ein Aufreißen der Schmelzzone vermieden.

In Fig. 19 ist die Konzentration des Minoritätsbe-Standteils Chrom im fertigen Produkt gezeigt. Die Kurve ist nach üblicher statischer Praxis den ursprünglichen fvicöpüfikici'i äi'igcpuui. Diese Kurve Zeigt ciiic crheblichc Zunahme der Chromkonzentration in der Schmelzzone. die 1,27 mm tief ist. Die Chromkonzentration beträgt bis zu einer Tiefe von 1,27 mm 21 Gew.-%.

In Fig. 20 sind Härteprofile des fertigen Produkts nach der Laserstrahlbehandlung mit örtlichem Ausschwingen dargestellt. In der Schmelzzone ergibt sich eine Rockwell-Härte von C 53 bis C 57. die Rockwellhärte des nicht vom Laserstrahl erfaßten Stahls ist C 20 und die Rockwell-Härte in der wärmebeeinflußten Zone C 30.

Fig. 21 zeigt Härteprofile im fertigen Produkt nach der Laserstrahlbehandlung bei örtlichem Ausschwingen. wobei die behandelte Stahlplatte zuletzt zwei Stunden auf 649⁰C vorgehalten und dann luftgekühlt ist. In der Schmelzzone beträgt die Rockwell-Härte C 55 bis C 58. in der wärmebeeinflußten Zone C 25. Die Kurve der F i g. 21 zeigt die Beständigkeit der Schmelzzone gegen ein Hochtemperaturglühen.

In bezug auf die Oberflächenbehandlungsmethoden, die eingesetzte Vorrichtung und die erhaltenen Erzeugnisse ist die Behandlungszeit sehr kurz und somit der Raum-. Ausrüstungs- und Kostenbedarf niedrig. Die -»ο Störungen der Eigenschaften des unter der behandelten Schicht liegenden Substrats sind minimal. Legierungen und andere Mischungen bildet man aus, indem man die Minoritätslegierungs- oder -mischungskomponenten in das Substrat einführ:. Die resulierende Oberflächenschicht kann ein- oder mehrphasig sein, wie dies unter Bezug auf F i g. 6A bis 6D ausgeführt ist. Die Behandlupgsschicht kann flächenmäßig kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. In den meisten Fällen weist sie einen Konzentrationsgradionten der Minoritatsbestandteile auf, wobei die Konzentration zum Substrat hin abnimmt, aber bei vorgegebener Tiefe innerhalb des Gradienten flächenmäßig gleichförmig ist.

Das beschriebene Verfahren ist für Eisenmetalle und -legierungen einschließlich aller Guß- und Stahlarter anwendbar. Das in die Oberfläche des Erzeugnisses einzulegierende Element bzw. diese Elemente kann b,-v>.

Legierungspulver aufgebracht werden.

Das Verfahren läßt sich auch zum Vermischen nichtmetallischer Substanzen und zum Vermischen nichtmetallischer und metallischer Werkstoffe in einer Oberflächenschicht oder für die Modifikation der Oberflächenschicht eines Substrats einsetzen, indem man nur mit solchen Minoritätsgradienten mischt, die aus einer umgebenden Gasphase oder anderen Minoritätsquellen stammen bzw. auf das Einmischen von Minoritätsbestandteilen verzichtet. Der hier verwendete Ausdruck »Gasphase» soll dabei Sole und Molekülstrahlen im Vakuum sowie reine Gase bei atmosphärischem oder überatmosphärischem Druck einschließen.

Die in die Oberflächenschicht eingebrachten Minoritätsbestandteile können mit dem Grundmaterial während des Schmelzens und Mischens umgesetzt werden und/oder mit dem Substrat nach dem Schmelzen umgesetzt und nach dem Schmelzen aus der Oberflächenschicht verflüchtigt, ausgelaugt oder auch nach dem Schmelzen anderen an sich bekannten Behandlungsschritten unterworfen werden, um die Eigenschaften des mit einer Schicht versehenen Produktes zu än^Jern.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Venahren zum Oberflächeniegieren von Metall wie Stahl oder Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche eine Schicht s eines oder mehrerer Legierungsbestandteile aufgebracht wird, daß diese Schicht und eine bestimmte Tiefe des unmittelbar darunter liegenden Materials geschmolzen, gemischt und wiederverfestigt werden längs eines linearen Arbeitsweges, indem die beschichtete Oberfläche längs dieses Weges von einem kontinuierlichen Laserstrahl von 5 bis 20 Kilowatt überstrichen wird, und daß dieser Strahl ζ» einem Kreis mit einem Durchmesser von 0,635 bis 17,78 mm oder einer flächenmäßig äquivalenten Form fokussiert wird und eine Überstreichgeschwindigkeit von 0,127 bis 1,27 m/min aufweist, so daß längs dieses Weges eine Legierungsschicht mit vorbestimn?t«;r Tiefe erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl so abgelenkt wird, daß er zur Ausbildung einer Schmelzzone die beschichtete Oberfläche linearer kontinuierlich bestreicht, oder daß er in Sprüngen verschoben wird, um in zeitlicher Aufeinanderfolge eine Gruppenanordnung derartiger Schmelzzonen zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstiahl in bezug auf eine lineare Bestreichrichtung seitlich oszilliert, während die beschichtete Oberfläche überquert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das seitliche Os.,"'^lieren des Laserstrahls mit einer Frequenz von 100 bis 1000 Hertz durchgeführt wird.