DE4409746A1

DE4409746A1 - Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften, insbesondere zum Laserlegieren von Metallteilen zwecks Erhöhung der lokalen Festigkeit und/oder des Verschleißwiderstandes

Info

Publication number: DE4409746A1
Application number: DE19944409746
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Rer Nat Habil Wendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-22
Filing date: 1994-03-22
Publication date: 1995-11-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften, insbesondere zum Laserlegieren, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Herstellung von festen oder verschleißarmen Bereichen an der Oberfläche von Teilen aus metallischen Werkstoffen kann durch lokales Legieren mit anderen Metallen erfolgen.

Eine Variante für dieses Verfahren ist, daß Pulver des Legierungsmetalls auf die Oberfläche des Grundmetalls aufgebracht und anschließend die belegte Oberfläche mit einem Laserstrahl behandelt wird, wobei die Pulverschicht sowie ein Teil des Grundkörpers aufschmilzt und beim Abkühlen ein Gefüge entsteht, das verschleißarm ist und eine höhere Festigkeit als das Grundmetall aufweist.

Dieses Verfahren ist beispielsweise beim Laserlegieren von Al-Teilen mit Ti-Pulver bekannt [F. Matsuda, K. Nakata; Jap. Welding Soc., 44 (1989), 174].

Durch Verwendung eines Gemisches aus Pulvern des Grundmetalls und des Legierungsmetalls anstelle von reinem Pulver des Legierungsmetalls wird eine bessere Steuerung des Aufschmelzprozesses erreicht, beispielsweise beim Laserlegieren von Aluminium mit einer Mischung aus Pulvern von Al und Ti [K. Uenishi, A. Sugimoto, K.F. Kobayashi; z. Metallk., 83 (1992), 241 und JP050059569).

Nachteilig an diesen Verfahren ist, daß das Pulver schlecht auf dem Grundkörper haftet. Daher ist das Verfahren insbesondere für den Einsatz bei gewölbten Bauteilflächen, z. B. zylindrischen Flächen, ungeeignet. Daher werden auch organische oder anorganische Bindemittel, z. B. Wasserglas, als Hilfsstoff verwendet, um die Haftung des Metallpulvers auf der Oberfläche des Grundkörpers zu erhöhen. Die Verwendung von Bindemitteln führt jedoch dazu, daß in die verschleißarme Schicht auch andere chemische Elemente eingebaut werden, die zu schlechteren Eigenschaften führen.

Es wird deshalb auch darüber berichtet, das Pulver des Legierungsmetalls oder das Pulvergemisch auf die Oberfläche des Grundkörpers zu pressen [F. Matsuda, K. Nakata; Jap. Welding Soc., 44 (1989), 174].

Allerdings erfordert das Aufbringen und Einpressen von Pulver bei Grundkörpern mit gewölbter Oberfläche einen erheblichen technischen Aufwand. Insbesondere dann, wenn Pulverschichten mit Schichtdicken in der Größenordnung von mehreren Millimetern aufgepreßt werden sollen. Zudem beseitigt auch diese Verfahrensvariante nicht den generellen Nachteil der Verfahren unter Verwendung von Pulvern, der darin besteht, daß die Herstellung eines lokalen Bereiches mit vorgegebenem Volumen, insbesondere mit vorgegebener Schichtdicke, und definierter Zusammensetzung bei der Laserbehandlung sehr schwierig ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, Verfahren zur Modifizierung von Werkstoffeigenschaften dahingehend zu verbessern, daß ohne Einsatz von Hilfsstoffen eine verbesserte Haftung von Legierungs- und Grundmetall vor der Laserbehandlung erzielt wird, so daß eine Anwendung auch bei geometrisch komplizierten Bauteilen mit gekrümmten oder stark geneigten Oberflächen möglich ist. Weiterhin soll es die Erfindung ermöglichen, daß die Werkstoffeigenschaften eines vorgebbaren lokalen Bereiches des Grundkörpers definiert modifiziert werden können. So soll z. B. der Werkstoff des Grundkörpers bis zu einer vorgegebenen Schichtdicke in eine Legierungsschicht mit definierter Zusammensetzung umgewandelt werden können.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Ein wesentlicher Verfahrensschritt besteht dabei im Einbringen eines aus dem Zusatzwerkstoff gefertigten Formkörpers in den Grundkörperwerkstoff. Unter "Einbringen" sollen in diesem Zusammenhang neben Einpressen, Einschlagen, Einschießen auch Einwalzen und ähnliche Verfahren verstanden werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht vor allem darin, daß es eine Modifizierung von Werkstoffeigenschaften ermöglicht, die sich auf einen exakt vorgebbaren lokalen Werkstückbereich beschränken, wobei dieser lokale Bereich je nach Abmessungen des einzupressenden Formkörpers eine Schichtdicke im Mikrometerbereich oder im Millimeterbereich aufweisen kann. Bindemittel, die zum unerwünschten Einbau anderer chemischer Elemente führen, werden bei diesem Verfahren nicht benötigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht aber auch z. B. eine Modifizierung sehr schmaler lokaler Bereiche auf stark gekrümmten Werkstücken. So ist es z. B. möglich, auf zylindrischen Werkstückoberflächen mit Radien im Zentimeterbereich ring- oder spiralförmige Bereiche herzustellen, die einen erhöhten Verschleißwiderstand und Querabmessungen z. B. in der Größenordnung von 1 mm oder weniger aufweisen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich unmittelbar auch aus den in den Unteransprüchen angegebenen Ausführungsformen sowie dem Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiel

Bei einem ca. 4 mm starkem Blech aus Aluminium soll an vorgegebenen Punkten die Festigkeit erhöht werden. Zur Beibehaltung einer optimalen Oberflächenqualität des Bleches werden an diesen Punkten Durchgangsbohrungen mit einem Durchmesser von ca. 1,5 mm eingebracht, in die Titan-Stifte mit einem Durchmeser von ca. 2 mm eingepreßt oder eingeschlagen werden. Der Bereich der Titan-Stifte wird nun mit einem Laser bestrahlt, beispielsweise mit einem 5kW-CO₂-Laser.

Dabei wird der Strahldurchmeser am Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Al-Blech so gewählt, daß das Blech in der Stiftumgebung aufschmilzt und sich mit dem Ti vermischt. Das Aluminiumblech befindet sich während der Laserbestrahlung auf einer Unterlage, die mit dem Aluminium und dem Titan keine Legierung bildet oder eine Verbindung eingeht und die verhindert, daß die Schmelze aus dem Aluminiumblech ausgetragen wird, beispielsweise auf einer Keramikunterlage.

Beim Abkühlen der Schmelze erstarrt diese zu einem verschleißarmen, festen Gefüge, das sich über die gesamte Blechdicke erstreckt. Dies ist vorteilhaft bei der Befestigung von Teilen an diesem Blech.

Beispielsweise kann durch ein derartiges Laserlegieren von Al-Teilen mit Ti-Körpern ein Gefüge erzeugt werden, das aus verschiedenen Phasen besteht und das auch die intermetallische Phase TiAl₃ enthält.

In einer anderen Verfahrensvariante kann die Führung des Laserstrahls auch so modifiziert werden, daß während des Oberflächenlegierens gleichzeitig ein Loch im Bauteil entsteht.

Claims

1. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften, bei dem ein Zusatzwerkstoff mittels energiereicher Strahlung in einen Grundwerkstoff eingeschmolzen wird, insbesondere Laserlegieren von Metallteilen zur Erhöhung der lokalen Festigkeit, des Verschleißwiderstandes oder anderer Werkstoffparameter, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere aus dem Zusatzwerkstoff bestehende Formkörper, deren Abmessungen sich nach der Größe des mittels des Verfahrens umzuwandelnden Bereiches des Grundkörpers richten, bis zu einer vorgegebenen Tiefe in den Grundkörper eingepreßt, eingeschlagen, eingeschossen oder auf andere Weise eingebracht werden und die Formkörper sowie ein vorgegebener Bereich des die Formkörper umgebenden Grundkörpers mittels der Strahlung bis zu einer mindestens partiellen Vermischung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff aufgeschmolzen werden und in Abhängigkeit von vorgebbaren Werkstoffparametern gegebenenfalls nach dem Erstarren zur Homogenisierung nochmals eine thermische Behandlung mittels Strahlung erfolgt.

2. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als energiereiche Strahlung Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen verwendet werden.

3. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff ein oder mehrere Legierungsmetalle enthält.

4. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper in Ausnehmungen eingepreßt werden, die in den Grundkörper eingebracht wurden.

5. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper draht-, steg-, stift-, röhren-, pyramiden-, scheiben- oder kugelförmig sind.

6. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Vermischung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff auf eine Schicht an der Oberfläche des Grundkörpers begrenzt ist.

7. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes und die Vermischung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff über die gesamte Dicke oder einen wesentlichen Prozentsatz der gesamten Dicke des Grundkörpers erstreckt.

8. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlparameter in Abhängigkeit von den Werkstoffparametern so gewählt werden, daß in einem Teil des zu modifizierenden Bereich des Grundkörpers ein Loch geschmolzen wird oder eine Vertiefung entsteht.

9. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Zusatzwerkstoff bestehende Formkörper einen oder mehrere Hohlräume aufweist.

10. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume Zusatzwerkstoff mit einer vom Formkörper unterschiedlichen stofflichen Zusammensetzung enthalten, insbesondere pulverförmigen Zusatzwerkstoff.

11. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

12. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einzupressende Formkörper aus Ti, einer Ti-Legierung, einer Ti-Al-Legierung oder einer Legierung von Ti und Al und einem oder mehreren anderen Elementen besteht.

13. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der einzupressende Formkörper aus Si oder einer Si-Legierung besteht.