DE2740569B2 - Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberflächen von Gegenständen aus nicht-allotropen metallischen Werkstoffen - Google Patents
Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberflächen von Gegenständen aus nicht-allotropen metallischen WerkstoffenInfo
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Description
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberflächen
von Gegenständen aus nicht-allotropen metallischen Werkstoffen angegeben. Nicht-allotrop ist hier so
definiert, daß nicht umwandlungshärtbare Metalle mit einer Härte unter HRC25 umfaßt werden.
Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche von Gegenständen aus
Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink und solchen Aluminiumlegierungen, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens
1,047 W/cm ■ °C beträgt und deren Härte unter einem Wert von HRC25 liegt, mit einem
Hochenergiestrahl, der eine Leistungsdichte auf der 5 Oberfläche von mindestens 10 000 Watt/cm2 bewirkt in
den ausgewählten Bereichen aufgeschmolzen wird, und daß ein Legierungsmetall, das intermetallische Verbindungen
mit dem Werkstoff des Gegenstandes bildet in die Schmelzzone eingeführt wird, wobei die Schmelztiefe
und die Erwärmung der Umgebung durch die Leistungsdichte und die Verweildauer des Strahls so
geregelt werden, daß sowohl eine hinreichende Legierungstiefe als auch eine hinreichend kurze
Abkühldauer erreicht wird.
Der Hochenergiestrahl ist vorzugsweise ein Laserstrahl, der durch eine Einrichtung mit einem Energiewert
von wenigstens 500 Watt erzeugt wird. Das Verfahren kann in verschiedenen Richtungen variiert
werden:
a) die Legierungsbestandteile können vorher über die durch den Strahl beeinflußte Zone abgeschieden
werden, so daß sie bei Schmelzen des Grundmaterials in der Zone turbulent vermischt werden,
b) die Bestandteile können als ein Draht vorliegen und in den Hochenergiestrahl eingeführt werden, um
gleichzeitig mit dem Grundmaterial geschmolzen zu werden,
c) die Legierungsbestandteile werden so ausgewählt, daß sie eine Affinität zur Bildung intermetallischer
Verbindungen mit der nicht-allotropen Metallgrundlage aufweisen, wie beispielsweise Kupfer,
Mangan, Chrom, Zink, Kobalt Magnesium, Molybdän, Titan, Vanadium, Wolfram, Zirkonium, Eisen
und Nickel für eine Aluminiumgrundlage und Silicium als unabhängiges abnützungsbeständiges
Teilchen und
d) die Legierungsbestandteile werden im Hinblick auf die Dicke der geschmolzenen Zone so bemessen,
daß eine gewünschte Legierungskonzentration nach dem Schmelzen erhalten wird, um größere
Härte, größere Korrosionsbeständigkeit oder größere Dauerstandfestigkeit des beeinflußten Oberflächenbereiches
des Gegenstandes zu fördern.
Bei vielen industriellen Anwendungen ist es erwünscht. Gegenstände mit einem billigen und leichten Material als Kernbestandteil herzustellen; derartige Materialien umfassen in typischer Weise nicht-allotrope "■►Metalle einschließlich Aluminium. Wie vorstehend erwähnt, sollen nicht-allotrope Metalle hier nicht umwandlungshärtbare Metalle mit einer Härte von weniger als HRc25 bedeuten. Die Oberfläche derartiger Gegenstände muß auch Eigenschaften aufweisen, die durch das Kernmaterial selbst nicht geliefert werden. Derartige verbesserte physikalische und chemische Eigenschaften können hohe Härte, hohe Festigkeit, Abnutzungsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur und Korrosionsbeständigkeit umfassen.
Bei vielen industriellen Anwendungen ist es erwünscht. Gegenstände mit einem billigen und leichten Material als Kernbestandteil herzustellen; derartige Materialien umfassen in typischer Weise nicht-allotrope "■►Metalle einschließlich Aluminium. Wie vorstehend erwähnt, sollen nicht-allotrope Metalle hier nicht umwandlungshärtbare Metalle mit einer Härte von weniger als HRc25 bedeuten. Die Oberfläche derartiger Gegenstände muß auch Eigenschaften aufweisen, die durch das Kernmaterial selbst nicht geliefert werden. Derartige verbesserte physikalische und chemische Eigenschaften können hohe Härte, hohe Festigkeit, Abnutzungsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur und Korrosionsbeständigkeit umfassen.
Es muß eine bestimmte Form einer neuen Oberflächenbehandlungstechnik
entwickelt werden, um diese bo Eigenschaften in einer genau gewählten Oberflächenzone
ohne Beeinträchtigung des nicht-allotropen Metallkerns zu erzielen; diese Verbesserung der Eigenschaft
kann durch Anwendung der bisher bekannten Oberflächenbehandlungstechnik nicht in wirtschaftlich annehmbarer
Weise erreicht werden. Bekannte Behandlungstechniken umfassen:
a) die Sättigung der Oberflächenzone, beispielsweise durch Einsatzhärtung oder Nitrierung,
b) Umwandlung der Verfestigungsphase der Oberflächenzone in eine härtere,
c) Anbringung eines Oberzugs oder
d) Legieren oder Wärmebehandeln d:s gesamten
Gegenstandes. ί
Nitrierung und Einsatzhärtung werden mit Erfolg für Substrate auf Eisengrundlage angewendet, sind jedoch
bei Nicht-Eisenmetallen nicht erfolgreich. Die 1Jmwandlungshärtung
ist recht erfolgreich bei Substraten auf Eisengmndlage, ist jedoch nicht erfolgreich bei ι ο
Aluminium und vielen anderen nicht-alloiropen Materialien.
Fest verbundene Überzüge sind teuer und können geringe Dauerhaftigkeit aufweisen. Die Behandlung
des gesamten Gegenstandes ist energieverschwendend, weist geringe Produktivität auf und
versagt hinsichtlich der Erzielung unterschiedlicher Eigenschaften im Kern und der Oberflächenzone.
Beispielsweise wurde bisher bei einem Aluminiumgegenstand und dgL in erster Linie Ausscheidungshärtung
über den gesamten Gegenstand verwendet Dieses Verfahren ist aus einer Reihe von Gründen einschließlich
hoher Kosten, Deformierung und geringe Produktivität nicht zufriedenstellend. Es wurden wenige oder
keine Untersuchungen mit Bezug auf die Behandlung von Oberflächenbereichen von Aluminium durchgeführt,
und es wurden keine Untersuchungen mit Bezug auf die Verwendung eines hoch konzentrierten Energiestrahls
als einem der Faktoren in dieser Oberflächenbehandlungstechnik durchgeführt
Wärmequellen mit einer Energie hoher Intensität wurden zum Schweißen, Schneiden und Bohren und in
bestimmten begrenzten Arten zum Zweck der Oberflächenhärtung von Materialien auf eisenhaltiger Grundlage
verwendet Der Hochenergiestrahl kann zum Schmelzen eines sehr oberflächlichen Bereiches eines
Gegenstandes auf Eisengrundlage angewendet werden, mit dem Ergebnis, daß das geschmolzene Material in
eine härtere Phase nach Entfernen des Energiestrahls umgewandelt werden kann, wodurch der Gegenstand
als Selbstkühlmedium wirken kann. Jedoch ist die Technik der Anwendung eines Hochenergiestrahls für
die Oberflächenhärtung von Material auf eisenhaltiger Basis grundlegend verschieden von seiner Verwendung
bei Anwendung auf nicht-eisenhaltige und insbesondere nicht-allotrope Materialien.
Wenige oder keine Überlegungen wurden hinsichtlich des Konzepts der Regelung der Einführung von
Legierungsbestf.ndteilen zu geregelten Tiefen und Anteilen in eine nicht-allotrope Metallgrundlage, wie
beispielsweise Aluminium, durch Anwendung eines Strahls hoher Energie angestellt. Der Mangel an
Untersuchungen kann auf die herrschende Meinung zurückzuführen sein, daß die Brauchbarkeit eines
derartigen Strahls bei Anwendung auf Aluminium begrenzt sein würde, da
a) das Schmelzen in typischer Weise nicht zu einer gehärteten umgewandelten Phase innerhalb dieses
Materials führt,
b) die bisherige Erfahrung mit Ofenwärmebehandlung begrenzte Härtewerte, zu denen viele nicht-allotro- ω
pe Metalle gehärtet werden konnten, anzeigte,
c) wegen des Mangels an technischem Bedarf, zu untersuchen, wie; lokalisierte Zonen unter wenig
Deformierung tißfgehärtet werden können und
d) wegen der Verfügbarkeit alternierender Härtungs- h5
techniken für defl technischen Bedarf, der gewöhnlich aus oberflächlichen nicht stark abnuztungsfähigen
Oberflächen bestand, wobei eine derartige Technik die Plasmasprühung ist welche das
Substrat nicht deformierte und sehr flexibel in der Anwendung war.
Somit wurde die Brauchbarkeit eines Hochenergiestrahls bei Anwendungen mit Aluminium und dergleichen
in Betracht gezogen.
Insbesondere im Hinblick auf Aluminium können bei der derzeitigen Technik ein oder mehrere der folgenden
Nachteile auftreten:
a) der Gegenstand kann als Ergebnis der Härtungsbehandlung in hohem Maße deformiert oder verworfen
sein,
b) die Oberflächenkontur des zu behandelnden Teils kann unregelmäßig sein und ist daher einer
gleichmäßigen Behandlung nicht zugänglich, oder der Gegenstand kann unterschiedliche Abschnitte
aufweisen und die unterschiedlichen Abschnitte sprechen verschieden auf die Härtungsbehandlung
an, wodurch Ungleichmäßigkeit verursacht wird,
c) die Kosten der Härtung eines Aluminiumgegenstandes können aufgrund des Erfordernisses teurer
Anlagen oder Arbeitskraft relativ hoch sein,
d) das Verfahren zur thermischen Behandlung ist nicht in der Lage, eine flache gleichmäßige Tiefe
der Randzone mit Genaugikeit zu erhalten,
e) das Behandlungsverfahren ist nicht in der Lage, selektive Präzisionsmuster der Einsatzhärtung oder
Schalenhärtung Ober eine gegebene Oberfläche zu erreichen,
das bisherige Verfahren ist unfähig, einen kieinen Bereich eines Gegenstandes von großen Abmessungen
wirtschaftlich zu härten,
g) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, kleine Bereiche, die in einem komplizierten Teil schwierig zu erreichen sind, zu härten,
g) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, kleine Bereiche, die in einem komplizierten Teil schwierig zu erreichen sind, zu härten,
h) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, ohne potentielle Schädigung benachbarter Teile angewendet
zu werden,
i) das Abkühlen wird schwierig, zumindest mit bestimmten bisherigen Verfahren und
j) die bisherigen Verfahren eignen sich nicht für extrem hohe Volumen und hohe Produktionsgeschwindigkeiten.
i) das Abkühlen wird schwierig, zumindest mit bestimmten bisherigen Verfahren und
j) die bisherigen Verfahren eignen sich nicht für extrem hohe Volumen und hohe Produktionsgeschwindigkeiten.
Somit besteht ein Bedarf für ein Verfahren zu. Oberflächenbehandlung von Aluminiumgegenständen
und dgl., das die obigen Schwierigkeiten beseitigt und
zusätzlich die Oberflächenbehandlungstechnik für nichtallotrope Materialien verbessert, um sämtliche erwünschten
physikalischen Eigenschaften mit entsprechender Regelung zu erleichtern.
Es wurde in der Literatur bereits auf das Elektronenstrahl-Umschmelzveredeln
hingewiesen, ohne daß dabei die Anwendung des Stahls hoher Energie auf bestimmte Bereiche definierter nicht-allotroper Metalle
unter Berücksichtigung der erfindungsgemäß geforderten Bedingungen in Betracht kam. Das bekannte
Verfahren soll auf Werkstücke aus Gußeisen, das allotrop ist, anwendbar sein. Ferner ist ein Verfahren zur
Herstellung eines Werkstückes aus Leichtmetall durch schichtweises Übereinanderlegen von Folien oder
Blechen aus dem Leichtmetall und Pulverplättchen oder Fasern aus dem einzulagernden Stoff und Aufschmelzen
de^ in dem Schichtkörper enthaltenden Leichtmetalls
durch orthogonal zu den Schichten gerichtete, den Schichtkörper durchdringende Ladungsträgerstrahlen
bekannt. Weder die erfindungsgemäße Ausrichtung des Legierungsverfahrens auf Bereiche bestimmter nicht-allotroper
Metalle noch die geforderte Regelung von
Strahlenenergie, Bereich der Grenzfläche des Strahls mit dem Gegenstand und Verweilzeit des Strahls auf
dem Bereich des Gegenstandes, die jedoch die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ausmachen, sind aus
dem Bekannten zu entnehmen.
Gemäß der Erfindung wird ein Hochenergiestrahl von wenigstens 10 000 Watt/cm2 an der Grenzfläche mit
dem Aluminiumsubstrat verwendet; Legierungsbestandteile werden an der Grenzfläche so angebracht,
daß sich nach Verfestigung der in Turbulenz befindlichen geschmolzenen Zone eine legierungsreiche Zone
ergibt. Die Masse des Substrats wird so geregelt, daß sich Selbstabkühlung ergibt und die Legierungsabscheidung
in geeigneter Korngröße sichergestellt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem verbesserten Legierungsverfahren zur Erzielung der
Einsatzhärtung von Metallgegenständen, wobei das Verfahren insbesondere durch größere Wirtschaftlichkeit
gekennzeichnet ist. Deformierung aufgrund des Behandlungsverfahrens ausschaltet oder vermindert, für
ungleichmäßige und in unterschiedlichem Verhältnis vorliegende Teile geeignet ist und zweckmäßig ist, um
mit einer Vielzahl von Metallsubstraten zu arbeiten, die normalerweise nicht auf Behandlungen nach dem Stand
der Technik ansprechen. Das Verfahren soll zum praktisch lokalisierten Gießen geeignet sein und die
Behandlung einer genau ausgewählten ausgesetzten Zone eines nicht-allotropen Metallgegenstandes ermöglichen,
um physikalische Eigenschaften in dieser Zone, die bisher nicht erreichbar waren und bei einer
höheren Produktionsgeschwindigkeit zu erhalten. Dabei sollen die physikalischen Eigenschaften einer gewählten
Oberflächenzone eines nicht-allotropen Metalls durch geregeltes Widerschmelzen in Gegenwart abgestimmter
Legierungsbestandteile und Metalle durch Integrierung eines legierungsreichen Oberflächenbereichs, der
hinsichtlich Breite und Tiefe und einer präzisen Zone geregelt ist, zu härten, um Musterlegierungen oder
gesamte Oberflächenabdeckung zu erleichtern.
Gemäß obiger Aufgabe umfassen die Merkmale
a) die Anwendung eines Hochenergiestrahls, welcher einen Energiewert an der Grenzfläche mit dem
Gegenstand von wenigstens 10 000 Watt/cm2 aufweist wobei der Strahl entweder entbündelt oder
oszilliert ist, um eine effektiv größere kontrollierte Zone zu bedecken und der Strahl angewendet wird,
um eine begrenzte Zone des Substrats rasch zu schmelzen und in dem geschmolzenen Metall eine
Turbulenz zu erzeugen, die gegebenenfalls das Legieren fördert,
b) relativ rasche Bewegung des Hochenergiestrahls, so daß nach Bewegung des Strahls von der
begrenzten Zone die Masse des umgebenden nicht-allotropen Materials die wärmebeeinflußte
Zone durch Konduktion abschreckt,
c) das Heranführen eines oder mehrerer Legierungsmitte] an die Grenzfläche zwischen dem Hochenergiestrahl
und dem nicht-allotropen Gegenstand, so daß die strahlbeeinflußte Zone mit den Legierungsmitteln gesättigt wird und intermetallische Verbindungen
gebildet werden, gegebenenfalls mit einer zwischen der legierten Zone und dem Grundmetall
geförderten metallurgischen Bindung,
d) einen Laser für den Energiestrahl, wobei der Energiewert des Laserstrahls in bezug auf die
Geschwindigkeit der Bewegung des Strahls eingestellt wird, um eine vorbestimmte Tiefe der1
strahlbeeinflußten Zone herzustellen.
e) als pulverförmiges Material zugeführte Legierungsmittel, die vorher auf die Grundlegierung,
beispielsweise durch Plasma aufgesprüht oder aufgebürstet und/oder gleichzeitig mit einem
geeigneten Harz aufgebracht werden oder durch Anwendung der Zuführung eines Legierungsdrahtes
oder einer -folie in den Strahl angrenzend an die Grenzfläche zwischen dem Strahl und der Grundlegierung
zugeführt werden, wodurch die Grundlegierung gleichzeitig mit der Legierung geschmolzen
werden kann und
f) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Substrat und ein Legierungsmittel, das eine
Affinität zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Aluminium aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
F i g. 1 einen schematischen Schnitt einer frühen Stufe der Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Ausführungsform in der Legierung einer Randzone eines Metallsubstrates
besteht;
F i g. 2 einen schematischen Schnitt einer nachfolgenden Stufe für die Ausführungsform der Fig. 1,
insbesondere unter Schmelzen sowohl einer Legierungsschicht als auch einer darunter angrenzenden
Zone des Grundmetalls;
F i g. 3 einen schematischen Schnitt des sich aus der Durchführung der Stufen der Fig. 1 und 2 ergebenden
Produktes, wobei das Produkt einem einzigen Durchgang der Schmelzvorrichtung unterzogen worden ist,
F i g. 4 eine Schnittansicht im wesentlichen längs der Linie 4-4 der F i g. 3, weiche die Tiefe und Kontinuität
des einzelnen Durchgangs erläutert;
Fig.5 eine Schnittansicht ähnlich der Fig.3, die
jedoch das Ergebnis eines mehrfach sich überlappenden Durchgangs der Schmelzvorrichtung zeigt;
Fig.6 einen schematischen Schnitt ähnlich dem von
F i g. 2, welcher eine Alternativausführungsform der gleichzeitigen Durchführung der ersten und zweiten
Stufe zeigt;
F i g. 7 bis 9 eine schematische Darstellung verschiedener
lasererzeugenden Vorrichtungen, die sich für die Durchführung der Erfindung eignen;
Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Laserkonzentriervorrichtung
zur Richtung des Strahls auf einen zu erhitzenden Gegenstand;
F i g. 11 eine schematische Darstellung eines Typs
einer Plasmapulverüberzugsvorrichtung, die in Verbindung mit dem Verfahren der F i g. 1 bis 3 verwendet
werden kann und
Fig. 12 eine schematische perspektivische Ansicht eines Typs einer Elektronenstrahlvorrichtung, die zur
Durchführung der Erfindung verwendet werden kann,
wiedergegeben.
wiedergegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.
Das allgemeine Konzept der Erfindung besteht darin, verbesserte physikalische Eigenschaften in einer behandelten
Zone längs des äußeren Bereiches eines Gegenstandes, der aus einem nicht-allotropen Metall
(von ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit) gebildet ist, ohne nachteilige Beeinflussung des Restes des Gegenstandes
zu erzielen. Die behandelte Zone ist in typischer Weise so ausgebildet, daß sie im Vergleich zur Masse
des Gegenstandes im Hinblick auf die Vorteile der Kosteneinsparung äußerst klein ist Das Verfahren
besteht im wesentlichen aus Erhitzen und Kühlen. Das
Erhitzen besteht darin, einen Hochenergiestrahl zu konzentrieren und diesen Strahl gegen eine begrenzte
Zone der Oberfläche des Gegenstandes bei bestimmter Abtastgeschwindigkeit und bestimmten Energiewert,
gemessen an der Grenzfläche des Gegenstandes, zu richten, so daß das Metall in der Zone mit ausreichend
rascher Geschwindigkeit geschmolzen wird, wobei der Rest des Gegenstandes vom Aufheizeffekt isoliert wird.
Das Kühlen besteht darin, den Hochenergiestrahl aus der Zone zu entfernen, während die Masse des
Gegenstandes mit Bezug auf die durch den Strahl beeinflußte Zone in bestimmte Verhältnis vorliegt, um
eine selbstkühlende Kühlgeschwindigkeit herbeizuführen, die eine feinkörnige Struktur und eine supergesättigte
Lösung kann entweder durch Diffundierung unabhängiger Legierungsbestandteile in diese Zone zur
geregelten Verdünnung des Metalls oder durch Auswahl eines legierten Grundmetalls mit einem
Minimalwert inhärenter Legierungsbestandteile für die Supersättigung gefördert werden.
Der bemerkenswerte Vorteil, der sich aufgrund der Durchführung des Verfahrens ergibt, besteht in der
Fähigkeit, ein relativ wiertschaftliches leichtes Substratmaterial, wie beispielsweise Aluminium, anzuwenden,
und in der Fähigkeit, die Steigerung der physikalischen Eigenschaften durch isolierte Verwendung von teuren
Materialien auf kleine gewählte Oberfläehenzonen zu begrenzen, wodurch ein ausgezeichnetes Verhältnis von
Kosten zu Leistung erzeugt wird.
Oberflächenlegierung
Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert eine legierte Oberflächenzone auf dem Gegenstand.
Das Legieren der Oberfläche wird dadurch erreicht, daß die gewählte äußere Zone des Gegenstandes
sowie ein vorher oder gleichzeitig in der Zone abgeschiedenes Legierungsmittel rasch geschmolzen
werden. Das Legierungsmittel wird in das geschmolzene Grundmetall durch thermische Aktivität, die sich aus der
Wirkung des Strahls ergibt, mit Turbulenz eingeführt. Nach raschem Entfernen des Hochenergiestrahls folgt
ein Selbstabkühlvorgang, der eine Legierung aus feinkörniger fester Lösung unter Verteilung intermetallischer
Verbindungen erzeugt. Die Schaffung dieses homogenen Oberflächenlegierungsbereiches ist neu, da
man teilweise annahm, daß nicht-allotrope Metalle von
derart hoher Wärmeleitfähigkeit als Ergebnis der Aussetzung an einen Hochenergiestrahl Festigkeit
verlieren würden und andererseits annahm, daß die durch den Strahl beeinflußte Zone nicht angemessen
begrenzt wäre, um Selbstabkühlung zu ermöglichen. Es wurde gefunden, daß die durch den Strahl beeinflußte
Zone auf das Genaueste begrenzt, isoliert und geregelt werden kann, ohne Einbuße an notwendigem Aufheizen
und Selbsiabschrecken.
Im folgenden wird genauer eine detaillierte bevorzugte Ausführungsform der Durchführung der Oberflächenlegierung
unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 6 beschrieben.
1. Eine anfängliche vorbereitende Stufe des Verfahrens besteht darin, ein Grundmaterial auszuwählen, daß
auf rasches Erhitzen durch einen Hochenergiestrahl anspricht, leicht zu schmelzen ist und in zufriedenstellender
Weise zur Selbstabkühlung während des Kühlvorgangs Wärme thermisch leitet. Der Ausdruck
»Selbstabkühlung« bedeutet die Abkühlung aufgrund des Wärmeabfalls des behandelten Materials. Obgleich,
wie im Anspruch angegeben, eine weite Vielzahl von Metallen verwendet werden kann, wird die Ausführungsform
hier vorzugsweise mit einem Grundmaterial durchgeführt, das im wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung
besteht. Das Grundmaterial soll eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1,047 W/cm · "C aufweisen.
Andere nicht-allotrope Metalle, wie hier definiert, und die eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen,
umfassen: Magnesium, Kupfer und Zink.
2. Das bevorzugte Grundmetall wird durch die Auswahl und Anwendung von Legierungsbestandteilen,
weiche eine Affinität zur Bildung fester Lösungen und intermetallischer Verbindungen mit dem Grundmetall
aufweisen, oberflächenlegiert. Für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung kann der Bestandteil aus der
Gruppe von Kupfer, Nickel, Wolfram, Molybdän, Zirkonium, Vanadium, Magnesium, Zink, Chrom, Kobalt,
Mangan und Titan ausgewählt werden. Zwei oder mehrere dieser Bestandteile können zusammengegeben
werden. Kupfer ist einer der wirksamsten Legierungsbestandteile zur Härtung von Aluminiumlegierungen.
Nickel fördert die Beständigkeit des Aluminiums gegen Erweichung bei erhöhten Temperaturen im legierten
Zustand. Silicium ist, obgleich es keine intermetallische Verbindung bildet, brauchbar in einer Aluminiumlegierung
zur Herstellung eines Kerns mit niedrigem Siliciumgehalt mit abnutzungsbeständiger Oberfläche
von hohem Siliciumgehalt, die unabhängige Abnutzungsteilchen aufweist. Graphit ist, obgleich er keine
intermetallische Verbindung bildet, brauchbar als ein festes Hochtemperaturgleitmittel im legierten Oberflächenbereich.
Zu Legierungsbestandteilen für Magnesium gehören Zink, Seltene Erden, Zirkonium, Mangan
und Aluminium. Legierungsbestandteile für Kupfer können Blei, Zink, Aluminium, Zinn, Eisen, Nickel,
Silicium, Mangan, Beryllium, Zirkonium und Chrom sein.
3. Die nächste Stufe besteht darin, Legierungsbestandteile zu verbinden, abzuscheiden oder dem Strahl
angrenzend an die gewählte Zone des Grundmetalls zu unterwerfen. Ein Weg, dieses zu erreichen, besteht
darin, eine Legierungsschicht 10 auf dem Grundmetall 11 durch einen geeigneten Mechanismus 12 (siehe
Fig. 1), der hier Plasmastromsprühen von gepulvertem
Legierungsmetall umfaßt, abzuscheiden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in der Anwendung eines
Drahts, der aus den Legierungsbestandteilen besteht und der Zuführung dieses Drahts in den Strahl (siehe
Fig.6). Ein anderer Weg besteht darin, Harz mit den gepulverten Bestandteilen zu vermischen und dieses
Gemisch in der Bahn des Strahls abzuscheiden. Aufstreichen kann auch angewendet werden, solang die
Bestandteile so verbunden werden, daß sie durch den Strahl beeinflußt werden. Die durch die Plasmatechnik
aufzusprühenden Legierungsbestandteile können aus einem Gemisch von Metallpulvern bestehen oder
können als unabhängige Schichten aufgebracht werden. Die gemischten Pulver werden in typischer Weise einer
sehr hohen Temperatur und einer Strahl- oder Düsengeschwindigkeit unterworfen, jedoch sind beide
Bedingungen für die Erfindung nicht kritisch.
Die Tiefe der Legierungsschicht sollte so geregelt sein, daß eine bestimmte Legierungskonzentration der
geschmolzenen Zone des Grundmetalls erreicht wird. Die Legierungsbestandteile (unabhängig davon, ob sie
zugegeben wurden oder in der Grundmetallegierung inhärent vorliegen) sollten die geschmolzene Grundmetallzone
anreichern, um wenigstens eine gesättigte feste Lösung nach dem Wiederschmelzen zu bilden. Im
allgemeinen wird die Oberflächenlegierung vorwiegend
auf die Steigerung einer von drei physikalischen Eigenschaften (Abnutzungsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit oder Korrosionsbeständigkeit) gerichtet,
je nach der Anwendung und dem Gebrauch des behandelten Gegenstandes. Um optimale Abnutzungsbeständigkeit in der behandelten Zone des Gegenstandes
zu ergeben, sollten die Legierungsbestandteile zu dem geschmolzenen Grundmetall in der Zone in einem
Gewichtsverhältnis von 1:1 bis 1 :20 zugegeben werden. Dies kann grob geschätzt werden, indem eine
Legierungsschichtdicke, die gleich oder bis hinab zu 'Λο
der Dicke des geschmolzenen Grundmetalls ist, aufgebracht wird. Dieser Bereich von Verhältnissen
gewährleistet die Erzeugung intermetallischer Verbindungen in der geschmolzenen Zone nach der Verfestigung,
wobei die Verbindungen den Hauptmechanismus der Erfindung zur Härtung nicht-allotroper Grundmetalle
über ein Wiederschmelzen mittels Strahl hoher Energie darstellen.
Zur Herbeiführung optimaler Dauerfestigkeit in der gewählten oberflächenbehandelten Zone sollte das
Verhältnis im Bereich von 1 :10 bis 1 :20 liegen, um die
Vermeidung intermetallischer Verbindungen sicherzustellen, während die Härtung durch Ausscheidung
gefördert wird.
Zur Herbeiführung einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit in der gewählten oberflächenbehandelten
Zone sollte das Verhältnis nicht weniger als 2 :1 betragen. Es kann bevorzugt sein, praktisch reines
Aluminium für den Legierungsbestandteil zu verwenden, wenn das Grundmetall eine Aluminiumlegierung,
wie beispielsweise 390 oder 355 ist. Reineres Aluminium besitzt eine größere Korrosionsbeständigkeit als Aluminiumlegierungen.
Eine typische Vorrichtung zur Durchführung der Plasmaabscheidung ist in F i g. 11 gezeigt. Die Anordnung
verwendet eine Plasmapistole bzw. ein Plasmastrahlsystem 15, das eine Gasbogenkammer 16 mit einer
Auslaßverengung aufweist, die einen geraden Bohrungsabschnitt 17 und einen divergierenden Abschnitt
18 besitzt Die Gaszufuhr 31 wird im linken Teil der Gaskammer 16 eingeführt, und ein Lichtbogen wird
über die Kammer mittels einer Energiezufuhr 19 erzeugt. Die metallischen und feuerfesten Pulver
werden in die Pistole aus einer Pulverzuführvorrichtung 20 zugeführt und zu einem Vorerhitzungsrohr gebracht,
das durch eine Pulvervorerhitzungszufuhr 22 betrieben wird, das Pulver wird dann zu einer genauen Stelle in der
Auslaßverengung mittels eines Durchgangs 23 gebracht, der etwas angewinkelt ist (bei 24 mit Bezug auf eine
Mittellinie des Durchgangs) und tritt in die Auslaßverengung genau an der Verbindung des Abschnitts mit
gerader Bohrung und des divergierenden Abschnitts ein. Der Strom 13 aus der Plasmapistole wird auf den zu
überziehenden Gegenstand 26 gerichtet Der zu überziehende Gegenstand wird von einem bewegbaren
Träger 27 getragen, so daß die Abscheidung der Pulver über einen breiten gewählten Bereich bzw. ein breites
gewähltes Muster ermöglicht wird. Der Gegenstand 26 wird bei einem spezifischen elektrischen Potential
gehalten, so daß Plasmasprühteilchen aufgenommen werden. Das gesamte Werkstück sowie der Plasmastrahl
sind in eine Kammer eingeschlossen, die durch eine Vakuumpumpe 30 evakuiert ist
4. Wie in F i g. 2 gezeigt, besteht die nächste Stufe im
Schmelzen, indem ein Hochenergiestrahl erzeugt gerichtet und bewegt wird. Ein Hochenergiestrahl ist
hier so definiert, daß er eine Säule von Strahlungsenergie (unabhängig von der Quelle) mit einer mittleren
Energiedichte von über 10 000 W/cm2 an der Grenzfläche mit dem zu behandelnden Metall bedeutet. Diese
Stufe besteht in der Erzeugung eines energiereichen
■> Strahls 32 von ausreichender Energie, der Richtung des
Strahl auf eine gewählte ausgesetzte Zone 33 des Gegenstandes und der Bewegung des Hochenergiestrahls
32 längs einer vorbestimmten Bahn und bei einer spezifischen Geschwindigkeit, so daß nicht nur die
ίο gewählte Zone des Kontakts zwischen dem Strahl und
der Legierungsschicht 10, sondern auch ein bestimmter Teil 34 des darunter angrenzenden Teils des Grundmetalls
11 schmilzt. Der Strahl beeinflußt zwei Zonen, wobei die erste ohne Schmelzen erwärmt wird und eine
zweite Zone innerhalb der ersten geschmolzen wird. Laserstrahlen werden anfänglich durch die Reflektionskraft
aus dem Eintritt in eine bloße Aluminiumfläche etwas verzögert, diese Verzögerung wird
a) durch Bildung eines geschmolzenen Hohlraums, wenn die Wärme die Oberfläche zerbricht und
dadurch eine Konzentrierung der Strahlen ermöglicht und
b) durch die Anwendung eines Pulverlegierungsüberzugs verringert. Die Laserstrahlen treten in den
Gegenstand an der Grenzfläche mit hoher Energie ein, jedoch geht bei einem defokussierten Strahl
wenigstens ein Teil der Intensität durch Reflektion, Diffusion und Refraktion innerhalb des Gegenstandes
verloren. Jedoch begünstigt dies die Kontrolle einer oberflächlichen durch den Strahl beeinflußten
Zone.
Die Aufheizgeschwindigkeit des Grundmetalls muß relativ rasch sein, so daß
a) Turbulenz in dem Punktschmelzbad erzeugt wird und
b) die Entfernung des Strahls hoher Energie rasches Abschrecken bzw. Abkühlen fördert.
Die Absorptionseigenschaften des Grundmetalls müssen geregelt werden, um den Eintritt der Strahlstrahlen
in das Grundmetall zu unterstützen und dadurch eine rasche Aufheizgeschwindigkeit zu fördern.
Dies erfordert die Verwendung eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Es wurde durch experimentelle
Untersuchungen gefunden, daß zum Schmelzen der abgeschiedenen Legierungsschicht 10 (bestehend aus
Silicium, Kupfer, Nickel und Kohlenstoff) mit einer Dicke von 0,15 mm (35) und zum Schmelzen des
darunter angrenzenden Grundmetaiis 11 auf eine Tiefe
von 0,63 mm (36) die dem Gegenstand an seiner Oberfläche 37 erteilte Energie etwa 70 000 Watt/cm2 bei
einem Strahlfleckdurchmesser an der Grenzfläcne von 2,0 mm betragen muß. Dies kann durch Verwendung
eines Laserstrahls erreicht werden, der durch eine Vorrichtung 38 erzeugt wird. Die Definition eines
geeigneten Laserstrahls hoher Energie zur Durchführung der Oberflächenlegierung ist kritisch. Die Vorrichtung
zur Erzeugung des Strahls muß ein Energieausmaß von wenigstens 1 bis 6 KW aufweisen, um ein rasches
Erhitzen und Schmelzen bei einer betriebsmäßigen Abtastgeschwindigkeit von 0,032 cmVsec zu erreichen.
Bei Energiewerten unter 1 KW kann die Strahlgeschwindigkeit betriebsfähig nur 0,25 mm/min betragen,
jedoch ist diese Geschwindigkeit technisch unzweckmäßig. Der Strahl 32 sollte auf einen Punkt 40 fokussiert
sein, der in einem Abstand 41 von der Ebene der äußeren Oberfläche 37 des Gegenstandes (entweder
oberhalb oder unterhalb) angeordnet ist; somit wird der Strahl mit Bezug auf die Grenzfläche mit der äußeren
Oberfläche des Gegenstandes defokussiert und hai
einen Durchmesser 39 an dieser Grenzfläche, der praktisch zwischen 0,25 bis 12,7 mm variieren kann.
Es ist wichtig, das Zusammenspiel des Energiewertes des Hochenergiestrahls der Abtastgeschwindigkeit oder
relativen Bewegung des Strahls über die Oberfläche 37 des Gegenstandes und der Fleckengröße des Strahls an
der Grenzfläche zu regeln. Darüber hinaus bedeutet der nachfolgend verwendete Ausdruck »regeln« das Aufeinenderabstimmen
des Strahlgrenzflächenbereichs, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlenenergiewertes
zur Erzielung einer gewünschten Schmelzgeschwindigkeit und Kühlgeschwindigkeit für die durch den Strahl
beeinflußte Zone. Der Energiewert an der Grenzfläche muß wenigstens 10 000 Watt/cm2 betragen; die Fleckengröße
an der Grenzfläche kann von 0,0052 cm2 bis 0,32 cm2 oder mehr variieren. Die lineare Geschwindigkeit
sollte im Bereich von 25 bis 254 cm/min liegen. Richtige Regelung dieser Parameter führt zur erfolgreichen
Temperaturverteilung in dem Grundmetall und zu erfolgreicher Oberflächenlegierung mittels Laser.
Die erhaltene legierte Einsatztiefe 42 aus einem einzelnen Durchgang ist grundlegend proportional zum
verwendeten Energiewert bei einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit. Die genauen Werte der Einergiehöhen
in bezug auf die Abtastgeschwindigkeit für das spezielle Oberflächenlegierungsmaterial oder die Aufbringung
hängt von dem Legierungsüberzug, dem Grundmelall und der gewünschten legierten Einsatztiefe ab. Die
erhaltene Tiefe 42 des legierten Einsatzes oder der durch den Strahl beeinflußten Zone ist in F i g. 3
wiedergegeben. Die Zone für einen einzelnen Durchgang ist im Querschnitt durch eine halbkugelförmige
gefüllte Höhlung 43 mit einer festen Lösung aus legiertem Metall, das intermetallische Verbindungen
enthält, dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die obere Oberfläche 44 der sich ergebenden legierten Zone
höher ist, als die ursprüngliche Oberfläche des Gegenstandes.
F i g. 4 erläutert die Kontur des einzelnen Durchganges entlang seiner Länge. Eine vollständige Oberfläche
des Gegenstandes kann mit einem legierten Einsatz versehen werden, indem
1. mehrere Durchgänge eines defokussierten Strahls vorgenommen werden und
2. die Beeinflussungszone jedes Durchgangs überlappt wird, so daß die durch den Strahl beeinflußte
Zone 45 als eine Anzahl sich überlappender Rippen 46 bis 47, wie in F i g. 5 gezeigt, in Erscheinung tritt
Der Abstand und der Grad der Überlappung der Rippen kann variiert werden, um eine Mindestzonentiefe
48 herzustellen. Es ist ganz gut möglich, daß die Durchgänge durch einen breiten Abstand getrennt sind,
so daß lediglich ein Muster aus legierten Rippen oder Stegen auf dem Gegenstand auftritt, wobei derartige
Legierungsstege die notwendige Abr.utzungsbeständigkeit für die gesamte Oberfläche liefern ivönnen. Ferner
kann die durch den Strahl beeinflußte Zone einem an der Grenzfläche fokussierten Strahl unterworfen und
pulsiert werden, um den Energiewert im Verhältnis mit dem Schmelzen zu halten.
Die bevorzugte Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls ist in F i g. 7 wiedergegeben und umfaßt
einen geschlossenen (XVGasstromkreislauf 61, wobei das Gas rasch durch ein Gebläse 62 bewegt wird und die
Abführung von Wärme durch einen Austauscher 63 erfolgt Die Laserentladung findet axial längs des
Strömungswegs zwischen den Elektroden 64 und 65 statt. Die Laserstrahlentladung wird in dieser axialen
Strömungsrichtung durch den Gesamtübertragungsspiegel 66 gerichtet und aus dem Lasererzeugungsgehäuse
durch den Teilübertragungsspiegel 67 emittiert.
In F i g. 8 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
Laserstrahls aus Gas mit einei Strömung 68 quer zu der elektrischen Entladung zwischen den Elektroden 69 und
70 wiedergegeben. Der Spiegel 71 überträgt den Strahl wiederum partiell.
In Fig. 9 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Lasers durch einen Elektronenstrahl 72 wiedergegeben;
Unterhaltungselektroden 73 und 74 sind in einem hohen Vakuum im Abstand voneinander angeordnet; die
Elektronenemittiervorrichtung 75 sendet Elektronen durch Membrane 76 zu den Elektroden. Die Spiegel 77
und 78 wirken zusammen, um die Laser zu sammeln und sie durch den partiell übertragenden Spiegel 78 zu
emittieren.
In F i g. 10 ist eine Vorrichtung zur Weiterleitung des Laserstrahls 79 aus der Lasererzeugungsvorrichtung 80
zu dem zu behandelnden Gegenstand 81 wiedergegeben. Der Strahl wird durch einen Spiegel 82 gedreht und
durch eine Linse 83 mit einem bei 84 darin eingeführten Hilfsgas gesammelt. Die Strahlöffnung 85 regelt die
Strahlfleckengröße an der Grenzfläche des Gegenstandes.
Die Laseroberflächenlegierung eignet sich insbesondere bei solchen Anwendungen des Standes der
Technik, wo
a) die Oberfläche eines Gegenstandes eine spezielle Legierungszusammensetzung zur Abnutzung-,
Korrosions- oder Wärmebeständigkeit erfordert,
b) ein irreguläres Muster auf der Oberfläche eine spezielle Legierungszusammensetzung erfordert,
c) der erforderliche Legierungsgehalt nicht ökonomisch im Guß- oder Knetzustand erzeugt werden
kann,
d) verschiedene Zusammensetzungen an verschiedenen Stellen der Oberfläche eines Gegenstandes
notwendig sind,
e) eine metallurgische Bindung zwischen der speziellen Oberflächenschicht und dem Grundmaterial
erwünscht ist,
f) die wärmebeeinflußte Zone in dem Grundmaterial auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden sollte,
g) die Oberflächenlegierung bei einer minimalen Wärmezufuhr erreicht werden muß, um Deformierung
und Schädigung einer angrenzenden Komponente durch übermäßige Wärme herabzusetzen
und
h) der gehärtete Einsatz eine hohe Härte selbst bei einer erhöhten Temperatur aufweisen muß.
Noch eine andere Vorrichtung, die zur Erzeugung eines Strahls hoher Ernergie gemäß der Erfindung
geeignet ist, ist in Fig. 12 wiedergegeben. Die
Vorrichtung stellt eine Elektronenschleuder dar, welche einen Strahl 86 aus Elektronen, die von einem erhitzten
Faden oder einer indirekt erhitzten Kathode 87 ausgehen, aussendet Die Kontrollelektrode 88 reguliert
Strahlstrom und Spannung der Anode 89 und damit die Geschwindigkeit der Elektronen in dem Strahl. Das
Produkt von Anodenspannung und Strahlstrom ist die Strahlenergie. Die Fokussierspule 90 regelt die Strahlfleckengröße
unabhängig, so daß die Strahlfleckengröße je nach Wunsch für verschiedene Spannungs- und
Abstandswerte eingestellt werden kann. Die Ablenkspulen 9t bewegen den Strahl von seiner neutralen
Achsstellung weg, um den Strahl auf irgendeinen Punkt
auf den Gegenstand 92 zu ricüten. Vier Spulen sind
gewöhnlich erforderlich, um den Strahl sowohl in der X-als
auch in der V-Äichtung in der Ebene des Gegenstandes abzulenken. Der Gegenstand und die
Schleuder teilen im wesentlichen die gleiche Vakuumkammer 93.
5. Schließlich muß der Einfluß des Strahls von einer ι ichtig geschmolzenen Zone des Gegenstandes bei einer
ausreichend raschen Geschwindigkeit entfernt werden, die Masse des Gegenstandes muß im Hinblick auf das
Volumen der geschmolzenen Schmelzzone im geeigne-
ten Verhältnis vorliegen, und das Metall des Gegenstandes muß mit einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit
ausgewählt worden sein, um rasche Selbstabkühlung zu erreichen und dadurch, wenn gewünscht, die Bildung
kleiner Teilchen intermetallischer Verbindungen oder gegebenenfalls einer gesättigten festen Lösung zu
bilden. In fast sämtlichen Fällen, wo der Gegenstand ein Gußstück ist und die durch den Strahl beeinflußte Zone
3,2 mm oder weniger ausmacht, liegt die Masse im richtigen Verhältnis vor.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberfläche von Gegenständen aus
nicht-allotropen metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche
von Gegenständen aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink und solchen Aluminiumlegierungen,
deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 1,047 W/ cm · 0C beträgt und deren Härte unter einem Wert
von HRc25 liegt, mit einem Hochenergiestrahl, der eine Leistungsdichte auf der Oberfläche von
mindestens 10 000 Watt/cm2 bewirkt, in den ausgewählten
Bereichen aufgeschmolzen wird, und daß ein Legierungsmetall, das intermetallische Verbindungen
mit dem Werkstoff des Gegenstands bildet, in die Schmelzzone eingeführt wird, wobei die
Schmelztiefe und die Erwärmung der Umgebung durch die Leistungsdichte und die Verweildauer des
Strahls so geregelt werden, daß sowohl eine hinreichende Legierungstiefe als auch eine hinreichend
kurze Abkühldauer erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschmelztiefe höchstens ein
Sechstel der Dicke des Metallgegenstands beträgt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der geschmolzenen Zone das
Verhältnis Legierungsmetall zu aufgeschmolzenem Werkstoff des Gegenstands zwischen 1 :1 und 1 :20
beträgt
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium in die Schmelzzone
auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung, die weniger als 5% Legierungsbestandteile enthält, in
einem Verhältnis Aluminiumzusatz zu aufgeschmolzener Aluminiumlegierung von 2 :1 zugefügt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß reflektierende Oberflächen
vor der Bestrahlung mit einem Material zur Absorption der Strahlenenergie überzogen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswählen der aufzuschmelzenden
Flächenbereiche der absorptionsfähige Überzug in einem entsprechenden Muster auf dem Gegenstand
aufgebracht wird.
7. Verfahi en nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall
vor der Bestrahlung als Draht in einen Plasmastrom eingeführt und auf der Oberfläche des Gegenstands
abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall als Pulver
im Hochenergiestrahl der Oberfläche zugeführt oder zuvor mit Harz vermischt auf diese aufgebürstet
wird.
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