DE3789313T2

DE3789313T2 - Laser-aufschweissmaterial und dessen verwendung zum laser-aufschweissen.

Info

Publication number: DE3789313T2
Application number: DE3789313T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Okamura; Toshihide Takeda
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-15
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2007-12-16
Also published as: DE3789313D1; EP0344310A1; JPS63149347A; EP0344310B1; WO1988004593A1; EP0344310A4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Laser-Aufschweißmaterialien und insbesondere ein Laser-Aufschweißmaterial, das Kupfer als seinen Hauptbestandteil enthält und gegen Gleit-Abrieb und Reibung in hohem Maße beständig ist.

Stand der Technik

Große Aufmerksamkeit ist auf das Laser-Aufschweißen (einschließlich des Laser-Reschichtens und des Laser-Plattierens) gerichtet, weil das Laser-Aufschweißen neben der Tatsache, daß es die Energie-Dichte (den Durchmesser eines Laser-Ausgangsstrahls) feinsteuern kann, nicht nur die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen und die Reduktion der Komponenten infolge eines Stamm- oder Grundmaterials zu minimieren vermag (das heißt, die Reduktion der Legierungs-Komponenten in ihrem Zusammensetzungs-Verhältnis, die von der Tatsache herrührt, daß die Komponenten des Basismaterials in die Aufschweiß-Legierung hinein erschmolzen werden und dadurch die Legierungs-Komponenten hinsichtlich ihres Zusammensetzungs-Verhältnisses reduziert werden), sondern auch eine aufgeschweißte Schicht, die nur 0,3 bis 1,5 mm dick ist, nur auf einen notwendigen Teil des Grundmaterials auf zutragen vermag.
Als Laser-Aufschweiß-Apparatur, die das obenerwähnte Laser- Aufschweißen verkörpert, wird eine Laser-Aufschweiß-Apparatur, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, benutzt. Mit der Apparatur werden ein Laser-Strahl 3 und ein solches Inert-Gas wie gasförmiges Argon (Ar) 4 oder dergleichen und ein Pulver des - Aufschweiß-Metalls 5 einer Rille V, die in einer Oberfläche eines Grundmaterials 1 bereitgestellt ist, aus einem Zuführungsrohr 2 zugeführt, das zu der Rille V hin über derselben offen ist, so daß das Pulver 5 schnell auf dem Grundmaterial 1 schmilzt und dann erstarrt und dadurch eine aufgeschweißte Schicht 6 auf dem Grundmaterial bildet.
Wenn ein Laser-Strahl eingesetzt wird, kann eine Hochgeschwindigkeits-Verarbeitung erreicht werden, da der Laser-Strahl sehr viel Wärmeenergie auf einen gewünschten lokalen Teil eines zu verarbeitenden Gegenstandes zur Einwirkung bringen kann, wodurch hochgradig genaue Abmessungen der Schweißung realisiert werden können. Da außerdem die Abkühlungsrate hoch sein kann und ein feinkristallines Korn erhalten werden kann, kann die aufgeschweißte Schicht in hoher Qualität erzeugt werden, und auch eine hohe Verarbeitungsleistung kann erzielt werden.
Auf diese Weise kommt dem Laser-Aufschweiß-Verfahren der grundsätzliche Verdienst zu, daß das Aufschweißen in solcher Weise bewerkstelligt werden kann, daß die Abmessungen des aufgeschweißten Teils im wesentlichen gleich denjenigen des gewünschten Fertigerzeugnisses sind, so daß es demgemäß eine hohe Material-Ausbeute ergibt. Und die Methode des Laser-Aufschweißens wird üblicherweise eingesetzt für solches Cobalt(Co)-Hartmetall wie Stellite, Nickel(Ni)-Hartmetall und solche Eisen(Fe)-Legierung wie nichtrostender Stahl.
Zu herkömmlichen Kupfer(Cu)-Aufschweiß-Materialien gehören Messing (Cu-Zn)-Legierungen, Phosphorbronze, bekannt als PBC2A, und Kupfer-Zinn-Blei (Cu-Sn-Pb)-Legierungen, bekannt als LBC. Das Anordnen von verschleißschützenden Ca-Legierungs-Zusammensetzungen in Pulver-Form auf einer Oberfläche eines Grundmetall- Substrats (wobei das Schmelzen durch Abtasten mittels eines Laser-Strahls bewirkt wird) ist in US-A-4 474 861 offenbart; aus den folgenden Gründen ist es jedoch unmöglich, diese Materialien beim Laser-Aufschweißverfahren einzusetzen, wodurch das Laser- Aufschweißen unter Verwendung einer Kupfer-Legierung untauglich - wird.

(1) Messing(Cu-Zn)-Legierung

Wenn ein Laser-Strahl als Quelle von Energie hoher Dichte eingesetzt wird, übersteigt die Temperatur der Schweißschmelze eines solchen Aufschweiß-Materials eintausend plus mehrere hundert Grad und bewirkt Verdampfung, wodurch ein Schweißen unmöglich wird, da der Siedepunkt von Zink (Zn) nicht höher als 908ºC ist.

(2) PBC2A (Cu-Sn-Legierung)

Dieses Material neigt dazu, leicht Gas zu enthalten und damit gewisse Gas-Defekte zu verursachen, obwohl das Material eine der Kupfer-Legierungen ist, die auch unter einem hohen Oberflächen- Druck eingesetzt werden können und in wirksamer Weise als Gleitmaterial verwendet werden können.

(LBC) (Cu-Sn-Pb-Legierung)

Das Laser-Aufschweißen liefert, wie oben erwähnt ist, Energie hoher Dichte, die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist sehr schnell, und die Zeitspanne, die für die Phasenänderung eines solchen Materials vom festen Zustand in den geschmolzenen Zustand nötig ist, ist nicht länger als 0,1 bis 0,5 s. Als Folge davon härtet oder erstarrt das geschmolzene Material, bevor die durch die Einstrahlung des Laser-Strahls erzeugte Schlacke zur Oberfläche des geschmolzenen Materials auf schwimmen kann, was den Einschluß von Schlacke in dem geschweißten Teil bewirkt.
Wenn eine Durchführung des Aufschweißens mittels des Laser-Aufschweißverfahrens über eine breite Fläche erwünscht ist, müssen außerdem lineare geschweißte Schichten einander unter gegenseitiger leichter Verschiebung überlappen, wie in Fig. 4 dargestellt ist, was dazu führt, daß Schlacke, die auf der Oberfläche der zuvor geschweißten Schicht gebildet wird, während des nächsten Arbeitsganges des Schweißens in die nächste geschweißte Schicht eingeschlossen wird, wie in Fig. 5 dargestellt ist.
Da auf diese Weise sämtliche Kupfer-Legierungen bei dem Laser- Aufschweißverfahren nicht eingesetzt werden konnten, besteht Bedarf an der Realisierung eines Kupfer-Laser-Aufschweißmaterials, das eine hervorragende Charakteristik der Beständigkeit gegen Gleit-Abrieb aufweist.
Weiterhin sind Kupfer-Nickel-Legierungen, die Silicium und Mangan umfassen, aus JP-A-60-77949 und JP-A-59-146 748 bekannt.
Im Hinblick auf die obenerwähnten Umstände im Stand der Technik ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Laser-Aufschweißmaterial (auf der Basis von Kupfer) verfügbar zu machen, das gegen Gleit-Abrieb und Reibung in hohem Maße beständig ist und das ein Laser-Aufschweißen hoher Qualität ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Ein Laser-Aufschweißmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Laser-Aufschweißmaterial, umfassend
1 bis 5 Gew.-% Nickel (Ni);
0,1 bis 5 Gew.-% Silicium (Si);
wenigstens ein desoxidierendes Element, ausgewählt aus
weniger als 1 Gew.-% Bor (B),
weniger als 2 Gew.-% Phosphor (P),
weniger als 3 Gew.-% Mangan (Mn) und
weniger als 1 Gew.-% Aluminium (Al) oder
weniger als 1 Gew.-% Calcium (Ca);
0,01 bis weniger als 30 Gew.-% Keramik-Pulver mit einer Härte oberhalb von 2000 HVi;
gegebenenfalls 8 bis 15 Gew.-% Zinn (Sn) oder Blei (Pb);
wobei der Rest aus Kupfer (Cu) und Verunreinigungen besteht.
Die Erfindung macht weiterhin ein Laser-Aufschweißverfahren verfügbar, das die Schritte
des Zuführens eines Material-Pulvers aus dem obigen Laser- Aufschweißmaterial auf ein Metall-Grundmaterial und
des Einstrahlenlassens eines Laser-Strahls auf das Material- Pulver in einer Inertgas-Atmosphäre, und
worin das Material-Pulver auf dem Metall-Grundmaterial geschmolzen wird, wodurch eine laseraufgeschweißte Schicht auf diesem gebildet wird, umfaßt.
Im einzelnen umfaßt das Laser-Aufschweißmaterial der vorliegenden Erfindung als Grund-Komponenten Cu, Ni und Si, von denen Ni und Si zu einer Ni-Si-Verbindung kombiniert sind, die dahingehend wirkt, daß sie die Härte der aufgeschweißten Legierung erhöht. Außerdem sind die Zusatz-Mengen Ni und Si so bestimmt, daß das Stoffmengen-Verhältnis Ni zu Si in dem Aufschweiß- Material 2 zu 1 wird. Wenn die Zusatz-Menge des Ni in dem Aufschweißmaterial 3 Gew.-% übersteigt und das Partner-Material eines auf Eisen-Basis ist, tritt manchmal ein Phänomen des Anbackens zwischen dem aufgeschweißten Material und dem Material auf Eisen-Basis ein, insbesondere untere einem hohen Oberflächendruck. Aus diesem Grunde wird das Ni&sub2;Si, das in dem aufgeschweißten Material enthalten sein soll, auf optimal 2 bis 3 Gew.-% angesetzt, jedoch kann eine andere Menge Ni&sub2;Si eingesetzt werden, ohne besondere Schwierigkeiten zu verursachen, solange der Ni-Gehalt in dem Ni&sub2;Si in einen Bereich von 1 bis 5 Gew.-% fällt und der Si-Gehalt in einen Bereich von 0,2 bis 5 Gew.-% fällt.
Als das Laser-Aufschweißen unter Verwendung eines Materials durchgeführt wurde, das 2 bis 3 Gew.-% Ni&sub2;Si und als gesamten Rest Kupfer enthielt, und dann die aufgeschweißte Legierung einer einstündigen Alterungs-Behandlung bei 500ºC unterworfen wurde, war die resultierende Kupfer-Legierung so hoch wie etwa HWB.
Die Elemente Si, B, P und Mn vereinigen sich mit Sauerstoff und schwimmen auf zur Oberfläche der geschmolzenen Kupfer-Legierung.
Auf diese Weise kann dadurch, daß zwangsläufig eine Schlacke gebildet wird, die nicht schwerer als einige Zehntel des spezifischen Gewichts der Kupfer-Legierung ist, eine derartige Schlacke infolge des Unterschieds zwischen den spezifischen Gewichten der Schlacke und der Legierung, die zu trennen sind, nach oben aufschwimmen, wodurch ein Einschließen der Schlacke in der Legierung verhindert wird.
Das heißt, daß die Elemente Si, B, P und Mn als Desoxidationsmittel wirken. Wenn wenigstens ein Element, das aus der aus weniger als 1 Gew.-% B, weniger als 2 Gew.-% P und weniger als 3 Gew.-% Mn bestehenden Gruppe ausgewählt ist, eingesetzt wird, können Gas-Defekte, die durch die Wirkung des Desoxidationsmittels verursacht werden, in günstiger Weise verhindert werden.
Auch wirksam neben den obengenannten Desoxidationsmitteln sind Aluminium (Al) und Calcium (Ca), die in dem Aufschweißmaterial vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 1 Gew.-% enthalten sind. Beispielsweise kann das Legierungs-Pulver Cu, Ni, Si und weniger als 1 Gew.-% Al enthalten.
Wenn weiterhin der Arbeitsgang des Aufschweißens unter Verwendung eines Aufschweiß-Materials durchgeführt wird, das feine keramische Teilchen darin dispergiert enthält, kann die erhaltene aufgeschweißte Legierung eine hervorragendere Anti- Reibungs-Charakteristik zeigen. In diesem Falle kann praktisch irgendein Keramik-Material eingesetzt werden, wie später erläutert wird, solange das Keramik-Material eine HVi oberhalb von 2 000 hat. Es ist jedoch erwünscht, ein solches Keramik- Material zu verwenden, das eine geringstmögliche Differenz des spezifischen Gewichts in bezug auf das obige Legierungsmaterial bereitzustellen vermag. Der Grund hierfür ist der, daß eine solche Differenz der spezifischen Gewichte eine gleichmäßige Dispergierung des keramischen Materials verhindert. Unsere Tests haben gezeigt, daß der Zusatz von 0,01 Gew.-% des Keramik- Materials mit einer Teilchengröße von etwa mehreren um eine solche aufgeschweißte Legierung herstellen kann, die den höchsten PV-Wert zeigen kann. Der PV-Wert zeigt eine Charakteristik der Gleitreibung, die als Produkt des Oberflächen-Drucks (P) und der Gleitgeschwindigkeit (V) ausgedrückt ist.
Zu Keramik-Materialien, die dahingehend wirken, daß sie den obigen PV-Wert erhöhen, zählen beispielsweise Mo&sub2;B&sub5;, MoB, SiC, Si&sub3;N&sub4; und AI&sub2;O&sub3;, und eines oder mehrere dieser Materialien können in dem Aufschweiß-Material in einer Einzel- oder Gesamt- Konzentration von weniger als 30 Gew.-% enthalten sein. Die Festlegung auf die Konzentration von weniger als 30 Gew.-% erfolgte, um eine Verminderung der Festigkeit der Legierung zu vermeiden, sobald die Keramik-Konzentration von weniger als 30 Gew.-% festgelegt wird.
Zinn Sn oder Blei Pb, die im allgemeinen häufig in einer gleitenden Kupfer-Legierung zugesetzt werden, können jeweils in einem Anteil von 8 bis 15 Gew.-% zugesetzt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Tabelle, die die Verhältnisse der prozentualen Anteile zwischen den Komponenten wiedergibt, die in einem Laser- Aufschweißmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Fig. 2 zeigt eine vergleichende graphische Darstellung der Ergebnisse eines Tests der gleitenden Reibung für das Material der Fig. 1 zusammen mit den Ergebnissen des gleichen Tests für ein Material des Standes der Technik.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Laserstrahl- Aufschweißens; und
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen Diagramme zur Erläuterung der aufgeschweißten Schichten, wenn jeweils das Laserstrahl-Aufschweißen durchgeführt wird.

Bester Modus zur Durchführung der Erfindung

96,49 Gew.-%Kupfer-Pulver, 2,5 Gew.-%Nickel-Pulver, 0,5 Gew.-% Silicium-Pulver, 0,2 Gew.-% Bor(B) -Pulver, 0,3 Gew.-% Phosphor- (P)-Pulver und 0,01 Gew.-% Molybdänborid(Mo&sub2;B&sub5;)-Pulver werden vermischt, wie in der Fig. 1 dargestellt ist, um eine Pulver- Mischung herzustellen. Die Pulver-Mischung wird als Material- Pulver 4 aus einem Zuführungsrohr einer solchen Aufschweiß- Apparatur, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, auf eine Rille V (die aufzuschweißen ist) aufgetragen, die in der Oberfläche einer Eisenplatte 1 angebracht ist, während Argon-Gas als Gas 5 auf die Rille V mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 10 l/min eingespeist wird; gleichzeitig wird die Eisen-Platte 1 in Richtung der darin angebrachten Rille V mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min fortbewegt. Als Ergebnis hiervon wird eine aufgeschweißte Schicht 6 innerhalb der Aufschweiß-Rille V gebildet.
In diesem Fall ist es zu bevorzugen, daß der Durchmesser r des Zuführungsrohres eine Beziehung 2 a < r < 3 a erfüllt, und es ist auch zu bevorzugen, daß der Abstand zwischen dem Spitzenende des Rohres und dem Metall-Grundmaterial so festgelegt wird, daß er unterhalb von 5 a liegt, worin die Breite der Aufschweiß- Rille bezeichnet.
Wenn der Durchmesser des Zuführungsrohres kleiner als 2 a ist, wird die Gas-Abdichtung ungenügend, wohingegen dann, wenn der Rohr-Durchmesser größer als 3 a ist, eine Störung des Gasflusses stattfindet, ebenfalls mit einem genügenden Abdichtungseffekt. Außerdem wird unter solchen Bedingungen der Gas-Verbrauch erhöht. Wenn der Abstand zwischen dem Spitzenende des Rohres und der Oberfläche des Metall-Grundmaterials 5 a übersteigt, tritt eine Störung in dem Argon-Gas auf, und der Effekt der Verhinderung einer Oxidation geht infolge einer Einbeziehung von Luft verloren.
Die auf diese Weise gebildete aufgeschweißte Schicht wurde einem Test auf gleitende Reibung unterzogen, dessen Ergebnisse in Fig. 2 dargestellt sind. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, konnte der Betrag der Reibung sowohl der Schicht der vorliegenden Erfindung als auch des Partner-Materials um etwa 20% im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden, und damit konnte die Erfindung eine hochgradig ausgezeichnete Gleit-Charakteristik aufweisen. Diese aufgeschweißte Kupfer-Legierungs-Schicht ist insbesondere dann - mit einem hohen praktischen Gebrauchsnutzen - wirksam, wenn das Partner-Material Eisen ist.
Wenngleich in dem vorstehenden Beispiel die jeweiligen Elemente als jeweils einzelne Substanz zu dem Material-Pulver hinzugefügt und mit diesem vermischt wurden, bedarf es keiner Erwähnung, daß die Elemente jeweils in Form einer Verbindung zugegeben werden können und dann das Material-Pulver geschmolzen werden kann, um eine Legierung zu bilden, und die Legierung kann dann wiederum in die Pulverform überführt werden.
Wenn beispielsweise ein erstes Legierungs-Pulver, das 70,5 Gew.-% Cu, 20 Gew.-% Ni, 4,5 Gew.-% Si, 3 Gew.-% P und 2 Gew.-% B umfaßt, mit einem zweiten Legierungs-Pulver, das 90 Gew.-% Cu, 10 Gew.-% Sn und 0,02 Gew.-% P umfaßt, in einem Verhältnis von 85 zu 15 vermischt wird und das Pulver-Gemisch als Aufschweiß-Material verwendet wird, kann eine aufgeschweißte Schicht mit einer hervorragenden Charakteristik erhalten werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Auf diese Weise kann bei Einsatz des Laser-Aufschweiß-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung ein solches Laser-Aufschweißen möglich werden, dessen Durchführung in bezug auf Kupfer-Materialien konventionell als unmöglich angesehen wurde. Auf diese Weise kann in einfacher Weise und mit hoher Geschwindigkeit eine aufgeschweißte Schicht erhalten werden, die hinsichtlich ihrer Anti-Reibungs-Charakteristik ausgezeichnet ist und hohe Maßgenauigkeit besitzt und die in einer hochgradig wirksamen Weise auf ein solches gleitendes Teil wie ein Hydraulik-Teil aufgetragen werden kann.

Claims

1. Laser-Aufschweißmaterial, umfassend

1 bis 5 Gew.-% Nickel (Ni);

0,1 bis 5 Gew.-% Silicium (Si);

wenigstens ein desoxidierendes Element, ausgewählt aus

weniger als 1 Gew.-% Bor (B),

weniger als 2 Gew.-% Phosphor (P),

weniger als 3 Gew.-% Mangan (Mn) und

weniger als 1 Gew.-% Aluminium (Al) oder

weniger als 1 Gew.-% Calcium (Ca);

0,01 bis weniger als 30 Gew.-% Keramik-Pulver mit einer Härte oberhalb von 2000 HVi;

gegebenenfalls 8 bis 15 Gew.-% Zinn (Sn) oder Blei (Pb);

wobei der Rest aus Kupfer (Cu) und Verunreinigungen besteht.

2. Laser-Aufschweißmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das desoxidierende Mittel aus weniger als 1 Gew.-% Bor (B), weniger als 2 Gew.-% Phosphor (P) und weniger als 3 Gew.-% Mangan (Mn) ausgewählt ist.

3. Laser-Aufschweißmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das desoxidierende Mittel aus weniger als 1 Gew.-% Aluminium (Al) oder weniger als 1 Gew.-% Calcium (Ca) ausgewählt ist.

4. Laser-Aufschweißmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die darin enthaltenen Elemente jeweils in Form von Pulver einer Substanz bereitgestellt werden, die aus einem einzelnen oder mehreren der Elemente besteht.

5. Laser-Aufschweißmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die darin enthaltenen Elemente in Form von Kupferlegierungs-Pulver bereitgestellt werden.

6. Laser-Aufschweißmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Keramik-Pulver Aluminiumoxid-Keramik- Pulver ist.

7. Laser-Aufschweißmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Nickel und das Silicium so bereitgestellt werden, daß sie in einem Stoffmengen-Verhältnis ("Mol-Verhältnis") 2 zu 1 vorliegen.

8. Laser-Aufschweißverfahren, umfassend die Schritte

des Zuführens eines Material-Pulvers aus einem Laser-Aufschweißmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 auf ein Metall-Grundmaterial,

des Einstrahlenlassens eines Laser-Strahls auf das Material-Pulver in einer Inertgas-Atmosphäre, und

worin das Material-Pulver auf dem Metall-Grundmaterial geschmolzen wird, wodurch eine laseraufgeschweißte Schicht auf diesem gebildet wird.

9. Laser-Aufschweißverfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Zuführens in der Weise durchgeführt wird, daß die enthaltenen Elemente in Form von Pulver einer Substanz zugeführt werden, die aus einem einzelnen oder mehreren der Elemente besteht.

10. Laser-Aufschweißverfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Zuführens in der Weise durchgeführt wird, daß Kupferlegierungs-Pulver zugeführt wird, das die enthaltenen Elemente umfaßt.