EP0601451B1 - Procédé de durcissement et éventuellement de lissage de pièces de machine et pièces fabriquées selon ce procédé - Google Patents

Procédé de durcissement et éventuellement de lissage de pièces de machine et pièces fabriquées selon ce procédé Download PDF

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EP0601451B1
EP0601451B1 EP93119338A EP93119338A EP0601451B1 EP 0601451 B1 EP0601451 B1 EP 0601451B1 EP 93119338 A EP93119338 A EP 93119338A EP 93119338 A EP93119338 A EP 93119338A EP 0601451 B1 EP0601451 B1 EP 0601451B1
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Stellantis Espana SL
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Adam Opel GmbH
General Motors Espana SL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts

Definitions

  • the present invention relates to a method for hardening and possibly smoothing machine components using a cause surface heating of the respective component Beam, e.g. a laser beam, an electron beam or the beam of an arc lamp.
  • Beam e.g. a laser beam, an electron beam or the beam of an arc lamp.
  • a laser is basically considered to be high energy Heat source used for martensite hardening without thereby melting the surface of the treated components.
  • induction hardening Operation performed examples of such processes are U.S. Patent Nos. 4,304,978, 4,093,842 and 4,686,349, and U.S. Pat German patent 33 43 783 and the Metal Science Heat Treatment 20, No. 7/8, 1978, Pages 544-546.
  • martensite hardening leads to a martensitic Structure that is very hard, but a needle-like one Has structure so that it is not necessarily the ideal hard Surface with regard to abrasive and adhesive wear represents.
  • the martensitic structure is therefore for Components such as camshafts and rocker arms are not the ideal Structure.
  • DD-A-204 106 does not expressly say that the method mentioned there is martensite hardness.
  • the specified hardness values (HV 0.05 ) are between 1500 and 1650.
  • the surface to be hardened is sanded beforehand.
  • the laser treatment converts both the steel (examples 1 and 2) and the cast iron (example 3) to the previously existing pearlite / ferrite structure without melting the surface. Graphite deposits in cast iron are not changed by laser treatment.
  • Another category of processes includes laser layer melting.
  • one on one The graphite layer applied to the substrate is melted into the layer Solidify or cool the substrate themselves carbides.
  • the graphite carbon introduced into the layer molten state dissolves, a mixed crystal forms and when cooling with atoms of the substrate Cr, W, V, Mn, Fe forms carbides in the form of granular or dendritic
  • excretions for example TiC (if the substrate is a Ti material) from the dissolved Graphite.
  • An example of this procedure is the DE-OS 35 45 128.
  • a high-power laser often a CO 2 laser, is used.
  • DE-OS 39 32 328 is a method for the rest Machining of surfaces subjected to friction in Internal combustion engines, especially the cylinder surfaces known from piston engines, the area honed and additional is subjected to a laser beam treatment.
  • This Laser beam treatment after honing is preferred by a pulsed excimer laser carried out, this treatment a surface evaporation of micro grooves while maintaining the macro grooves (oil-producing honing grooves) without unwanted remelting caused.
  • DE-OS 39 32 398 does not mention one targeted "skin" in the nanometer range ( ⁇ 1 ⁇ m), i.e. in the order of 0.001 ⁇ m. Due to the extreme quenching rates it is usually oversaturated or already already amorphous and therefore possibly hard.
  • the present one Invention based on the object, a method of provide the kind mentioned that the hardening and preferably also the simultaneous micro-smoothing of machine components, enables which either in the form of a Chilled cast part with ledeburitic structure or in the form of a Steel part with pearlitic structure are present, the Process is carried out so that a new structure is reached on the surface of the component, not only a hard and preferably also micro-smooth Surface offers, but also no post-processing requires, but a possible postprocessing for Special purposes is not excluded.
  • the structural component By treatment with the respective working beam (laser, electron beam or arc lamp) is a structural component locally dough or it melts while the other structural components remain in the solid state.
  • the structural component is which locally becomes dough or melts around the Areas between the large cementite slats and the Perlite. This is where the iron-carbon state diagram plays taking into account the imbalance ratios a crucial role.
  • the treatment should be carried out in this way, i.e. in front everything so short that there are none in the boundary layer Homogeneous, e.g. form austenitic mixed crystals can, always enough cementite germs in the surface layer and must be present in the substrate so that when quenching (self-deterrence or possibly with With the help of a cold jet) always cementite and not Austenite is formed.
  • Homogeneous e.g. form austenitic mixed crystals can, always enough cementite germs in the surface layer and must be present in the substrate so that when quenching (self-deterrence or possibly with With the help of a cold jet) always cementite and not Austenite is formed.
  • the treatment can be carried out in this way, for example with a pulsed radiation source of high energy density, such as. with an excimer laser that a pronounced Evaporation (sublimation) and melting a thin one Surface skin occurs, resulting in a pronounced Micro-smoothing the surface leads.
  • a pulsed radiation source of high energy density such as. with an excimer laser that a pronounced Evaporation (sublimation) and melting a thin one Surface skin occurs, resulting in a pronounced Micro-smoothing the surface leads.
  • the respective component to grind at least on the surface to be treated, but also hard shell cast surfaces can be treated with the method according to the invention can.
  • Typical application examples for the present Processes are the generation of hard and possibly micro-smooth surfaces on camshafts or cam followers of internal combustion engines.
  • Typical values for the energy density used are in the range from 2 x 10 3 to 5 x 10 5 W / cm 2 .
  • the invention deals with machine components that either in the form of a hard casting with ledeburitic Structure or in the form of a steel part with pearlitic Structures are present, with the special characteristic, that an almost closed cementite surface is present, the component having a surface hardness above 900 HV, preferably about 1100 HV and the cementite precipitation density in the interlamellar Areas from the surface towards Matrix is continuously decreasing.
  • the component can for example a camshaft or a rocker arm be, but there are of course many other conceivable Machine components which are treated according to the invention can be.
  • the treatment can basically be carried out in the air, at least with a laser beam or with an arc lamp, since there is little or no fear of oxidation processes. It may be useful to carry out the treatment with the selected jet type in a selected gas atmosphere in order to achieve special effects.
  • the treatment could be carried out in a nitrogen-containing or CO 2 -containing atmosphere if nitriding or carburizing the surface of the workpiece is additionally desired.
  • the invention is concerned with the surface treatment of machine components with heterogeneous (over-, under- or -eutectic) Casting structure, as shown in Fig. 1, or with over-, under- or -eutectoidal steel structure, such as shown in Fig. 3.
  • FIG. 1 shows a TIG remelted tread of a Cast iron camshaft with an hypoeutectic structure made of cementite flakes and fine pearlite.
  • the TIG remelting process represents a possible, but not mandatory pretreatment.
  • the cementite lamellas are the large islands, while the pearlite areas the filigree structure exhibit.
  • a qualitatively similar structure also delivers Chilled cast iron.
  • a surface structure according to FIG. 2 is formed. From the structural components as in FIG. 1, ie from the cementite lamellae and fine Perlite has formed an almost closed layer of non-stoichiometric cementite in the surface layer. It is characteristic of this treatment that the surface layer is briefly heated up to the vicinity of the melting temperature (continuously or by repeated pulses) so that the carbon diffuses in the boundary layer from the cementite lamellae of the ledeburite into the soft, interlamellar ferrite areas.
  • the holding time at this temperature is chosen so that there is no complete dissolution of existing phase components and formation of a homogeneous mixed crystal.
  • a regression to the original phase state cannot take place or can only take place incompletely.
  • the cementite substance "blends", as can clearly be seen in FIG. 2, at the expense of the stoichiometric structure, combined with the effect of hardening the surface layer up to 1100 HV.
  • FIG. 3 shows a scanning electron microscope Inclusion of a steel eutectoid structure about 0.8% C.
  • ferrite dark parts of the Matrix
  • cementite as light parts of the matrix in lamellar Arrangement.
  • Fig. 4 After treatment with the excimer laser, As for the cast iron sample of Fig. 1, a structure is created in the surface layer, as shown in Fig. 4.
  • the surface layer has briefly warmed up up to near the melting temperature (continuously or by repeated pulses of the laser) a diffusion of carbon in an edge layer from the cementite flakes of pearlite into the soft interlamellar ferrite areas.
  • the temperature reached near the melting temperature must be chosen so that it is not a complete Dissolution of existing phase components and A homogeneous mixed crystal is formed. Here too prevents self-quenching following heat treatment a regression in the surface layer the original phase state. Likewise, in this example an imbalance with a cementite higher volume than the original.
  • the ground ledeburitic cam surface of a camshaft is cut with a CO 2 laser in CW mode (continuous, non-pulsed laser beam) with a rectangular beam cross-section of size 2 x 10 or 1 x 20 mm 2 by rotating the camshaft under the laser beam treated.
  • the width of approx. 10 or 20 mm corresponds to the cam width of an NW with 4 or 2 valve technology.
  • the surface temperature in the area of liquidus solidus from 1150 to 1250 ° C (pasty state of the surface layer) is monitored with known "on line" temperature measuring systems.
  • the power density is 5 x 10 3 to 10 5 W / cm 2 .
  • a laser power of 5 to 8 kW is required.
  • the speed of rotation of the camshaft is determined from the dwell time of the laser beam on the cam surface.
  • a dwell time (exposure time) of 0.3 to 10 s is required for a carbide layer thickness of 3 to 10 ⁇ m. If the treatment in pulse mode is carried out with a CO 2 or Nd: YAG laser, at least 20% lower average power densities are required.
  • the ledeburitic cam tread of a hard cast or surface layer remelted (TIG; laser, electron beam) Rocker arm is used for training purposes thin, but almost dense carbide Wear layer treated with the electron beam.
  • the e-beam with 0.1 to 0.5 mm beam diameter grids the entire cam tread in a known manner one or more times. Repeated scanning of the Surface also becomes an almost constant, medium one Temperature of the surface above the liquidus does not rise, remain intact. For example becomes a deflection frequency of the e-beam from 100 to 500 Hz in the Y axis and a feed rate the rocker arm applied in the X-axis from 5 to 60 mm / s, depending on whether preheating the rocker arm has previously taken place or not.
  • the in Example required power of the electron beam gun was 3 kW (60 V, 50 A).
  • the advantage of the electron beam is in this case in the high level of guidance and distractibility as well as in the local repeatability of the treatment. This allows you to do so without any special effort as required different carbide layers on one surface Thickness can be generated (customized layer thicknesses).
  • a CO 2 laser in CW operation works with a laser power density in the range of 2 x 10 4 to 5 x 10 5 W / cm 2 and in pulse mode with an average power density that is at least 20% lower.
  • Characteristic of the carbide layer of the present Invention is that these are wear-resistant on existing Ledeburit or perlite is produced, the wear resistance is improved and that the cementite precipitation density in the interlamellar areas always from the surface towards the matrix decreases.
  • the exposure times of 0.017 to 0.026 S mentioned in the US patent are also not comparable with the values of 0.1 to 10 s mentioned in the present application.
  • the average power density for example in the case of an Nd: YAG laser, with a beam cross section of 0.5 x 0.5 cm 2 and an average power of 500 W is of the order of 20,000 W / cm 2 and therefore in a completely different range as indicated in U.S. Patent No. 4,304,978.

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Claims (16)

  1. Procédé de durcissement et éventuellement de lissage de composants de machine, au moyen d'un rayonnement, comme par exemple un rayonnement laser, un rayonnement d'électrons, ou un rayonnement lumineux, qui provoque un réchauffement de surface du composant respectif, dans lequel ledit composant, qui se présente soit sous la forme d'une pièce de fonte dure avec structure lédeburitique, soit sous la forme d'une pièce en acier avec structure perlitique, est traité avec une forte densité énergétique, et la couche de surface est brièvement réchauffée jusqu'au voisinage de la température de fusion, c'est-à-dire dans la zone liquidus/solidus, soit en continu, soit par des impulsions répétées, de sorte qu'il se produit dans une couche de bordure une diffusion du carbone provenant des lamelles de cémentite de la lédeburite, ou de la perlite, jusque dans les zones ferritiques tendres inter-lamellaires, dans lequel la densité de puissance et la durée du traitement sont ainsi choisies qu'il se produit dans la structure perlitique et la structure lédeburitique au niveau de la surface, respectivement dans la couche proche de la surface, une augmentation du volume avec construction d'une structure non stoechiométrique, et dans lequel lors du traitement l'un des composants de la structure devient localement pâteux, ou fond, tandis que les autres composants de la structure demeurent à l'état solide, et le temps de maintien à la température voisine de la température de fusion est ainsi choisi qu'il ne se produit pas de dissolution complète des composants de phase en présence et qu'il ne se forme aucun austénite et qu'il existe toujours suffisamment de germes de cémentite dans la couche de bordure et dans le substrat, de sorte que lors de la trempe on forme toujours de la cémentite et non pas une austénite résiduelle, et dans lequel la densité de puissance et la durée du réchauffement local sont ainsi choisies qu'il se produit dans l'acier, ou bien dans les zones de perlite dans la fonte dure, une surface de cémentite au lieu d'une surface de perlite.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement a lieu avec une source de rayonnement pulsée présentant une forte densité énergétique, comme par exemple avec un laser excimer, afin de provoquer additionnellement une sublimation prononcée et la fusion d'une mince peau de surface.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant le traitement au moyen du rayonnement à forte densité de puissance, le composant respectif est meulé, ou recouvert par coulée d'une coque dure, au moins au niveau de la surface à traiter.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre sur des arbres à cames, ou sur des leviers d'entraínement.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité de puissance est de préférence comprise dans la plage de 5 x 103 à 5 x 105 W/cm2.
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes pour le traitement d'un arbre à cames avec une surface de came lédeburitique, caractérisé en ce que le traitement est exécuté avec un laser CO2 en mode CW (rayonnement laser continu et non pulsé) avec une section de rayonnement rectangulaire d'une taille comprise dans la plage de 3 mm x 5 mm à 25 mm x 10 mm, de préférence de 2 mm x 10 mm à 1 mm x 20 mm, dans lequel l'arbre à cames est tourné pendant le traitement, et le temps de séjour (temps d'illumination) à chaque emplacement de la surface traitée se trouve dans la plage de 0,3 à 10 s, afin d'atteindre une épaisseur de 3 à 10 microns pour la couche de carbure.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la puissance du laser est dans la plage de 4 à 12 kW.
  8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, en particulier selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température de surface est maintenue dans la plage du liquidus/solidus de 1150 à 1250°C (état partiellement pâteux de la structure de surface), et de préférence surveillée au moyen d'un système de mesure de température.
  9. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le traitement est exécuté en mode par impulsions, au lieu du mode CW, et en ce que l'on utilise soit un laser CO2, soit un laser Nd : YAG, la densité de puissance moyenne étant d'au moins 20 % inférieure à celle du mode CW.
  10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 pour le traitement d'une surface de came lédeburitique d'un levier d'entraínement avec coque de fonte dure, ou avec couche de bordure recouverte par fusion, au moyen d'un rayonnement d'électrons, ledit rayonnement d'électrons ayant une section de forme circulaire d'un diamètre de 0,1 à 0,8 mm, qui palpe la surface totale de la came une ou plusieurs fois suivant un motif en réseau, et produit à la surface une température moyenne pratiquement constante qui ne dépasse pas celle du liquidus.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 pour le traitement d'une surface de came lédeburitique d'un levier d'entraínement avec coque de fonte dure, ou avec couche de bordure recouverte par fusion, au moyen d'un rayonnement d'électrons, ledit rayonnement d'électrons ayant une section pratiquement rectangulaire qui couvre la totalité de la largeur de la surface de came, ou de la largeur de la surface du palier de coulissement, et qui illumine la surface en direction périphérique, soit en continu, soit à plusieurs reprises, et produit ainsi à la surface une température moyenne pratiquement constante qui ne dépasse pas celle du liquidus, ou qui ne la dépasse que de manière localement limitée ou négligeable uniquement dans des zones partielles.
  12. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le canon à rayonnement d'électrons présente une puissance d'environ 3 kW, par exemple de 50 A sous 60 V.
  13. Procédé selon l'une des revendications 10, 11 et 12, caractérisé en ce que lorsque le rayonnement d'électrons est aligné dans l'axe Z, le rayonnement est dévié dans une direction pratiquement perpendiculaire à celui-ci, par exemple dans la direction de l'axe Y ou de l'axe X, avec une fréquence de déviation de 100 à 500 Hz sur la largeur ou la longueur de la surface de came du levier d'entraínement, et dans lequel la direction de la came est déplacée dans l'autre direction respective suivant l'axe X ou l'axe Y, ou en oblique par rapport à ceux-ci, avec une vitesse d'avance de 5 à 60 mm/s, selon qu'un préchauffage du levier d'entraínement a préalablement eu lieu ou non.
  14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, pour produire des minces couches de carbure sur des surfaces d'acier avec structure perlitique, ou structure perlitique/ferritique, la surface est réchauffée jusqu'à une température dans la plage de 1250° à 1450°C, laquelle est produite, dans le cas d'un laser CO2 en mode CW (rayonnement continu), avec une densité de puissance dans la plage de 5 x 103 à 5 x 105 W/cm2, et dans le cas d'un laser en mode pulsé avec une densité de puissance moyenne qui est d'environ 20 % plus faible, et dans lequel le temps d'action du rayonnement, c'est-à-dire le temps de séjour de chaque emplacement de la surface à traiter, est de 0,1 à 10 s.
  15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité du dépôt de cémentite dans les régions interlamellaires diminue en continu depuis la surface en direction de la matrice.
  16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement avec le rayonnement est exécuté dans une atmosphère gazeuse, par exemple dans une atmosphère gazeuse qui contient de l'azote ou du CO2.
EP93119338A 1992-12-10 1993-12-01 Procédé de durcissement et éventuellement de lissage de pièces de machine et pièces fabriquées selon ce procédé Expired - Lifetime EP0601451B1 (fr)

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