EP0664349B1 - Verfahren zum Beschichten von Kupferwerkstoffen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for coating the Surface of copper materials with a protective layer, in which the copper material by applying a Top layer alloy is provided with a top layer and then in the area of an order area Protective layer by melting one Protective layer alloy with laser radiation and by an im essentially in the area of the order area Melting of the copper material is connected to it.
- JP-A-62 027 561 is a Melting a layer of a nickel and Cobalt alloy disclosed by means of a laser, the Layer of a nickel and cobalt alloy - that of Protective layer alloy corresponds - through thermal Syringes are applied and previously on the substrate Nickel alloy is applied.
- the nickel or Cobalt layer and the nickel alloy Layer are remelted by a laser beam, however follows clearly from the last sentence of the abstract, that the remelting is a firm connection between the Protective layer and the “plated layer” and a connection between the "plated layer” and the substrate with high Creates adhesion, but this also means that even after remelting using the laser, the "plated layer "is preserved from the nickel alloy and thus still exists.
- the invention is therefore based on the object of a method to provide the surface of copper material with to improve a protective layer such that the protective layer on the one hand sufficient hardness and good adhesion and also covering large areas can be applied.
- the advantage of the method according to the invention is there too see that by providing the copper material with the Cover layer whose optical properties for laser radiation be changed so that on the one hand with the laser radiation melting of the components of the protective layer is possible, and on the other hand also a melting of the Copper material in the area of the application area and thus a intimate connection between the protective layer and the Copper material, especially with a metallurgical composite to the copper material, can be produced.
- the laser beam is melted the top layer and slight melting of the Copper material creates a weld pool, in which then the protective layer alloy forming the protective layer is introduced, the protective layer alloy either is melted directly in the weld pool or before Impact in the weld pool by the laser beam is heated or melted and in the melt pool together with the components of the top layer Protective layer is formed.
- the cover layer is made of does not impair the properties of the protective layer Material is, because in this case an installation of the material of the Cover layer in the protective layer no negative Has an impact on their properties.
- cover layer made for mechanical properties of the protective layer of inert material is.
- the material of the cover layer is selected so that it is melted when the protective layer is applied.
- the cover layer Components of the protective layer so that by the melting of the top layer already components of the Protective layer in the form of a melt.
- the protective layer is formed from alloys that comprise one or more of the Components include nickel, cobalt or iron and also, that the top layer is a layer that is one or more which comprises nickel, cobalt or iron.
- top layer and the protective layer are the same components, preferably in the same composition.
- the top layer combines and that to form material supplied to the protective layer easily into one uniform layer now forming the protective layer.
- the cover layer serves to absorb the laser radiation to change the copper material in such a way that this no longer or only in the laser radiation reflected to a small extent.
- the cover layer is sufficient is thin to run simultaneously with the Copper material melted due to the laser radiation become.
- the thickness of the cover layer is approximately, for example 100 to about 300 ⁇ m, while the whole is forming Protective layer on the order of about 1 to about 3 mm, preferably 2 mm.
- the mass of the alloy applied as a covering layer is available to the mass of the protective layer alloy subsequently applied in a ratio of about 1 to 3 to about 1 to 5.
- the cover layer is preferably designed such that it is a thermal spray layer and a thermal Spray layer in the sense of the invention is, for example a flame spray layer or a plasma spray layer or a vacuum spray coating or a high speed flame spray coating or understood a similar layer.
- Such layers can be easily and apply inexpensively and thus represent an advantageous Pretreatment of the copper material used according to the invention represents.
- the method according to the invention is preferably so carried out that adjacent application areas themselves overlap.
- adjacent application areas form a coating track.
- a width of the coating track one dimension of the application area across from it Corresponds to the longitudinal direction of the track.
- the copper material in the area of Application area is melted. It is preferably provided that the copper material in the area of the application area melted over a certain depth as a thin layer becomes. It is preferably provided that the copper material co-melted at least over a depth of 10 to 50 ⁇ m becomes.
- a particularly advantageous anchoring of the protective layer to achieve in the copper material is provided, for example, that the copper material in a portion of the Application area is melted by the deep welding effect.
- the protective layer extends in this Area deep into the copper material and is in this thus positively anchored over a nose.
- the copper material for applying the Protective layer is preheated, preferably to a temperature between about 100 ° C and about 500 ° C, in particular approximately between 200 ° C and approximately 400 ° C.
- the invention relates to a workpiece a copper material provided with a protective layer, which is characterized according to the invention in that the Copper material in the area covered by the protective layer is melted on the surface and that the protective layer from several adjacent coating traces is formed.
- the protective layer in a part of their coverage of the workpiece with anchored positively in the copper material is.
- a workpiece 10 on a surface 12 provided with a cover layer 14 applied thereon is, as shown in Fig. 1, in a first Method step a workpiece 10 on a surface 12 provided with a cover layer 14 applied thereon.
- a conventional coating system 16 in which thermal spray layers can be produced are, the coating system 16 as conventional Coating system for generating flame spray layers or plasma spray layers or vacuum spray layers or high-speed spray coatings is trained.
- the cover layer 14 preferably has a thickness of 100 to 500 ⁇ m.
- the workpiece made of a copper material is preferably made of pure copper or copper alloys, being this workpiece 10 around any type of component made of copper can act.
- Such components are, for example Chill molds or rollers for the steel industry where it on the one hand, the high thermal conductivity of the copper arrives and on the other hand the surface 12 of the workpiece 10 must be protected.
- a protective layer is applied to the cover layer 14 18 for the surface 12 of the workpiece 10 in one Laser coating system 20, which a laser radiation 22 generating high-power laser 24 and one Processing head 26 with a focusing lens 28, which the laser radiation 22 coming from the high-power laser 24 depicts a focal spot 30.
- a melt pool 32 is generated in the area of the focal spot 30, in which all components of the later protective layer 18 are melted and from which the protective layer 18 is deposited by cooling, the Melting pool 32 in a direction of movement 34 parallel to Surface 12 of workpiece 10 migrates and the weld pool 32 via a coating module designated as a whole by 36 the individual components of the protective layer 18 in essentially in the form of a powder jet 38, this powder jet 38 still from an inert Atmosphere, preferably a protective gas jacket, for example Helium and / or argon, for example supplied with a throughput of 5 - 50 l / min. For this is additionally one that supplies the coating module 36 Powder conveyor system 40 is provided.
- the protective layer 18 applied to the workpiece 10 it is for example a nickel-based alloy, however, other alloys can also be used as a protective layer be used, for example alloys on the Base of cobalt or iron.
- the focal spot 30 is preferably designed such that that in a narrow central area S of track 42 a deep welding effect of the laser radiation 22 occurs and thus the material of the workpiece 10 in this area S. melted even deeper, down to a depth TN is, and the solidified protective layer 18 with a nose 48 deep into the workpiece 10 and thus with this nose 48 also form-fitting in the workpiece 10 is anchored.
- each track 42 having its own tab 48 in the workpiece 10 is anchored and thus the total resulting Protective layer 18 also several times over the lugs 48 in the Workpiece 10 is anchored.
- the properties of one with such a protective layer 18 provided workpiece 10, for example its hardness properties, are exemplarily shown in Fig. 5. It can be seen that the protective layer 18 parallel to Surface has an essentially constant hardness, while spaced from a surface of the protective layer 18 seen from running into the depth of the workpiece 10 the hardness remains approximately constant, namely over the thickness D of the protective layer 18, and then on the hardness of the Material of the workpiece 10 itself, i.e. so the copper material, transforms.
- such a protective layer 18 is not included from the nose 48, the workpiece 10 to a depth T below the original surface area from about 10 to about 100 ⁇ m, preferably about 50 to about 100 ⁇ m melted.
- This material of the workpiece 10 is in the Protective layer 18 opened.
- one in the form of a Trace 42 'applied protective layer 18' is as in FIG. 6 shown, also on both sides of an edge of the Lane 42, identified by lines 44 and 46 that Cover layer 14 can be seen and is also in the Area of a width B of the track 42 'not only the cover layer 14 melted and also in the protective layer 18 ' passed, but also also in the area the depth T below the surface 12 of the copper material of the workpiece 10 co-melted to a metallurgical To produce composite with the copper material of the workpiece 10.
- the protective layer 18 ' can also be, as shown in Fig. 7, overlap several tracks 42 'side by side so that this has a continuous, large-area protective layer 18 ' form the workpiece 10, which also only over the metallurgical composite formed by co-melting of the copper material of the workpiece 10 in the depth range T (preferably about 50 to about 100 ⁇ m) on the Workpiece 10 adheres without the formation of the lugs 48 is required.
- the second embodiment of the invention Protective layer 18 'formed exactly like that first embodiment, so that with respect to other features full reference to the first embodiment can be taken.
- the protective layer according to the invention can have the following Find copper materials.
- a cover layer with a thickness of 100 to 500 ⁇ m, preferably approximately 300 to approximately 500 ⁇ m, is preferably applied as a thermal protective layer, for which the following alloys can be used: Nickel based alloy Cr 5 to 25% by weight B 2 to 4% by weight Si 2 to 4% by weight W 0 to 15% by weight C 0 to 6% by weight Mo 0 to 5% by weight Ti 0 to 2% by weight Rest Ni Iron-based alloy Cr 5 to 25% by weight B 2 to 4% by weight Si 2 to 4% by weight W 0 to 15% by weight C 0 to 6% by weight Mo 0 to 5% by weight Ti 0 to 2% by weight Rest of Fe Cobalt-based alloy Cr 5 to 25% by weight B 2 to 4% by weight Si 2 to 4% by weight W 0 to 15% by weight C 0 to 6% by weight Mo 0 to 5% by weight Ti 0 to 2% by weight Rest co
- the protective layer has a thickness D of at least 100 to 300 ⁇ m, preferably about 1 to about 3 mm, preferably about 1 to about 2 mm, where preferably also the nickel base alloy or the Cobalt base alloy or the iron base alloy like indicated above, find use.
- the protective layer is in the case of applying an alloy as a top layer and the later application of the same alloy a homogeneously mixed to form the protective layer Layer that also includes the alloy of the top layer.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten der
Oberfläche von Kupferwerkstoffen mit einer Schutzschicht,
bei welchem der Kupferwerkstoff durch Auftragen einer
Deckschichtlegierung mit einer Deckschicht versehen wird und
anschließend im Bereich einer Auftragfläche die
Schutzschicht durch Aufschmelzen einer
Schutzschichtlegierung mit Laserstrahlung und durch ein im
wesentlichen im Bereich der Auftragfläche erfolgendes
Anschmelzen des Kupferwerkstoffs mit diesem verbunden wird.
In der Druckschrift Patent Abstracts of Japan, Band 11,
Nr. 206 (C-433), 03.07.1987; & JP-A-62 027 561 ist ein
Erschmelzen einer Schicht aus einer Nickel- und
Kobaltlegierung mittels eines Lasers offenbart, wobei die
Schicht aus einer Nickel- und Kobaltlegierung - die der
Schutzschichtlegierung entspricht - durch thermisches
Spritzen aufgebracht wird und zuvor auf das Substrat eine
Nickellegierung aufgebracht wird.
Die durch thermisches Spritzen aufgebrachte Nickel- oder
Kobaltschicht und die eine Nickellegierung aufweisende
Schicht, in der Druckschrift als "plated layer" bezeichnet,
werden zwar durch einen Laserstrahl umgeschmolzen, jedoch
ergibt sich aus dem letzten Satz des Abstracts eindeutig,
daß das Umschmelzen zwar eine feste Verbindung zwischen der
Schutzschicht und der "plated layer" und eine Verbindung
zwischen der "plated layer" und dem Substrat mit hoher
Haftfähigkeit schafft, hieraus ergibt sich aber auch, daß
auch nach dem Umschmelzen mittels des Lasers die "plated
layer" aus der Nickellegierung erhalten bleibt und somit
noch existent ist.
Bei dem in der GB-A-2 157 600 offenbarten Verfahren wird
nicht die fertige Schutzschichtlegierung zugeführt, sondern
es erfolgt ein Zulegieren einzelner Komponenten,
insbesondere einzelner die Verschleißfestigkeit erhöhender
Zusätze.
Aus der DE-A-34 15 050 ist es bekannt, zur
Oberflächenveredelung von Kupferwerkstoffen zunächst die
gewünschte Schicht durch beispielsweise thermisches
Spritzen, galvanische Verfahren oder PVD-Verfahren aufzutragen
und nachher mit Laserstrahlung ein Umschmelzen oder
ein Einschmelzlegieren durchzuführen, um ein festes Haften
der Schicht auf dem Kupferwerkstoff zu erreichen und außerdem
die Poren zu entfernen. Bei diesem Verfahren bestehen
jedoch aufgrund der unterschiedlichen Benetzbarkeit der Beschichtung
und des Kupferwerkstoffs sowie der unterschiedlichen
Wärmeleitkoeffezienten große Probleme, so daß nur
Einzelspuren umgeschmolzen werden können und keine durchgehende
flächenhafte verschleißfeste Beschichtung erreichbar
ist.
Darüber hinaus ist ferner ein einstufiger Beschichtungsprozeß
bekannt, bei welchem die Beschichtung in einem
einzigen Verfahrensschritt direkt aufgebracht und mit Laserstrahlung
aufgeschmolzen wird. Hierzu sind einerseits hohe
Leistungen erforderlich und andererseits tritt damit ein
Lasertiefschweißeffekt auf, welcher dazu führt, daß der
Kupferwerkstoff bis in eine relativ große Tiefe erschmolzen
wird und das erschmolzene Kupfer Teil der Schutzschicht
wird, so daß die Härte der Schutzschicht nicht ausreichend
ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Versehen der Oberfläche von Kupferwerkstoff mit
einer Schutzschicht derart zu verbessern, daß die Schutzschicht
einerseits eine ausreichende Härte und gute Haftung
aufweist und außerdem auf großen Flächen flächendeckend
auftragbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in
einem vom Laserstrahl erzeugten Schmelzbad erschmolzene
Schutzschichtlegierung in Form eines mit dem Laserstrahl
mitgeführten Pulverstrahls zugeführt wird, daß die
Schutzschichtlegierung eine oder mehrere der Komponenten
Nickel, Kobalt oder Eisen umfaßt, daß die Deckschicht aus
einer Legierung gebildet wird, die hinsichtlich Nickel,
Kobalt oder Eisen dieselben Komponenten wie die
Schutzschichtlegierung umfaßt, und daß die Deckschicht im
Schmelzbad vollständig miterschmolzen wird und zusammen mit
der Schutzschichtlegierung sowie Anteilen des
Kupferwerkstoffs nach dem Erstarren die Schutzschicht
bildet.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, daß durch das Versehen des Kupferwerkstoffs mit der
Deckschicht dessen optische Eigenschaften für die Laserstrahlung
geändert werden, so daß einerseits mit der Laserstrahlung
ein Aufschmelzen der Komponenten der Schutzschicht
möglich ist, und andererseits aber auch ein Anschmelzen des
Kupferwerkstoffs im Bereich der Auftragfläche und somit eine
innige Verbindung zwischen der Schutzschicht und dem
Kupferwerkstoff, insbesondere mit einem metallurgischen Verbund
zum Kupferwerkstoff, herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird mit dem Laserstrahl durch Aufschmelzen
der Deckschicht und geringfügiges Anschmelzen des
Kupferwerkstoffs ein Schmelzbad erzeugt, in welches dann die
die Schutzschicht bildende Schutzschichtlegierung
eingebracht wird, wobei die Schutzschichtlegierung entweder
direkt in dem Schmelzbad erschmolzen wird oder vor
Auftreffen in dem Schmelzbad durch den Laserstrahl
aufgeheizt oder erschmolzen wird und in dem Schmelzbad
zusammen mit den Komponenten der Deckschicht die
Schutzschicht gebildet wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß die Deckschicht aus
die Eigenschaften der Schutzschicht nicht beeinträchtigendem
Material ist, da in diesem Fall ein Einbau des Materials der
Deckschicht in die Schutzschicht keinerlei negative
Auswirkungen auf deren Eigenschaften hat.
Ferner ist es von Vorteil, daß die Deckschicht aus für die
mechanischen Eigenschaften der Schutzschicht inertem Material
ist.
Das Material der Deckschicht ist dabei so ausgewählt, daß es
beim Auftragen der Schutzschicht miterschmolzen wird.
Erfindungsgemäß ist es außerdem von Vorteil, daß die Deckschicht
Komponenten der Schutzschicht aufweist, so daß durch
das Miterschmelzen der Deckschicht bereits Komponenten der
Schutzschicht in Form einer Schmelze vorliegen.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Schutzschicht
aus Legierungen gebildet wird, die eine oder mehrere der
Komponenten Nickel, Kobalt oder Eisen umfassen und außerdem,
daß die Deckschicht eine Schicht ist, die eine oder mehrere
der Komponenten Nickel, Kobalt oder Eisen umfaßt.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß
die Deckschicht und die Schutzschicht dieselben Komponenten,
vorzugsweise in derselben Zusammensetzung, aufweisen. In
diesem Fall verbinden sich Deckschicht und das zur Bildung
der Schutzschicht zugeführte Material problemlos zu einer
einheitlichen jetzt die Schutzschicht bildenden Schicht.
Wie bereits erwähnt, dient die Deckschicht dazu, die Laserstrahlungsabsorption
des Kupferwerkstoffs derart zu verändern,
daß dieser die Laserstrahlung nicht mehr oder nur in
geringem Maße reflektiert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Deckschicht die
Laserstrahlungsabsorption derart verändert, daß die Deckschicht
und der Kupferwerkstoff im Bereich der Auftragfläche
gemeinsam erschmolzen werden. Dies hat den großen Vorteil,
daß die Deckschicht als solche nicht separat vor dem
Kupferwerkstoff erschmolzen wird und dadurch aufgrund
unterschiedlicher Benetzungsverhältnisse die Deckschicht
sich als Schmelze auf dem nichterschmolzenen Kupferwerkstoff
zusammenzieht.
Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Deckschicht ausreichend
dünn ausgeführt ist, um gleichzeitig mit dem
Kupferwerkstoff durch die Laserstrahlung erschmolzen zu
werden.
Die Dicke der Deckschicht beträgt beispielsweise ungefähr
100 bis ungefähr 300 µm, während die gesamte sich bildende
Schutzschicht in der Größenordnung von ungefähr 1 bis ungefähr
3 mm, vorzugsweise 2 mm liegt.
Die als Deckschicht aufgetragene Masse der Legierung steht
zur Masse der danach aufgebrachten Schutzschichtlegierung in
einem Verhältnis von ungefähr 1 zu 3 bis ungefähr 1 zu 5.
Vorzugsweise ist die Deckschicht so ausgebildet, daß sie
eine thermische Spritzschicht ist und einer thermischen
Spritzschicht im erfindungsgemäßen Sinne wird beispielsweise
eine Flammspritzschicht oder eine Plasmaspritzschicht oder
eine Vakuumspritzschicht oder eine Hochgeschwindigkeits-Flammspritzschicht
oder eine ähnliche Schicht verstanden.
Derartige Schichten lassen sich in einfacher Weise und
kostengünstig aufbringen und stellen somit eine vorteilhafte
Vorbehandlung des erfindungsgemäß verwendeten Kupferwerkstoffs
dar.
Im erfindungsgemäßen Sinne wird als Auftragfläche diejenige
Fläche verstanden, in welcher ein Auftrag der Schutzschicht
erfolgt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Auftragfläche
hinsichtlich ihrer Ausdehnung im wesentlichen der
Ausdehnung eines sich aus den erschmolzenen Schutzschichtkomponenten
bildenden Schmelzbadbereichs beim Auftragen der
Schutzschicht entspricht.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dabei so
durchgeführt, daß nebeneinanderliegende Auftragflächen sich
überlappen.
Insbesondere ist vorgesehen, daß nebeneinanderliegende Auftragflächen
eine Beschichtungsspur bilden. In diesem Fall
ist insbesondere vorgesehen, daß eine Breite der Beschichtungsspur
einer Dimension der Auftragfläche quer zu ihrer
Spurlängsrichtung entspricht.
Bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung
wurde beschrieben, daß der Kupferwerkstoff im Bereich der
Auftragfläche angeschmolzen wird. Vorzugsweise ist vorgesehen,
daß der Kupferwerkstoff im Bereich der Auftragfläche
über eine bestimmte Tiefe als dünne Schicht miterschmolzen
wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß der Kupferwerkstoff
mindestens über eine Tiefe von 10 bis 50 µm miterschmolzen
wird.
Um eine besonders vorteilhafte Verankerung der Schutzschicht
in dem Kupferwerkstoff zu erreichen, ist beispielsweise vorgesehen,
daß der Kupferwerkstoff in einem Teilbereich der
Auftragfläche durch den Tiefschweißeffekt erschmolzen wird.
In diesem Fall erstreckt sich die Schutzschicht in diesem
Bereich tief in den Kupferwerkstoff hinein und ist in diesem
somit formschlüssig über eine Nase verankert.
Um rißfreie Schutzschichten zu erhalten, ist es besonders
vorteilhaft, wenn der Kupferwerkstoff zum Auftragen der
Schutzschicht vorgewärmt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur
zwischen ungefähr 100° C und ungefähr 500° C, insbesondere
ungefähr zwischen 200° C und ungefähr 400° C.
Vorzugsweise wird dabei das ganze Werkstück erwärmt.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Werkstück aus
einem mit einer Schutzschicht versehenen Kupferwerkstoff,
welcher erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Kupferwerkstoff im Bereich der Überdeckung durch die Schutzschicht
oberflächlich angeschmolzen ist und daß die Schutzschicht
aus mehreren nebeneinanderliegenden Beschichtungsspuren
gebildet ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Schutzschicht
in einen Teilbereich ihrer Überdeckung des Werkstücks mit
einer Nase formschlüssig in dem Kupferwerkstoff verankert
ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand
der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen
Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Schutzschicht.
In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrensschritts zum Aufbringen einer Deckschicht;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrensschritts zum Aufbringen der Schutzschicht;
- Fig. 3
- einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Spur einer Schutzschicht quer zur Bewegungsrichtung beim Aufbringen derselben;
- Fig. 4
- einen Querschnitt, in Ansicht ähnlich Fig. 3, durch mehrere, nebeneinanderliegende Spuren von Schutzschichten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 5
- eine exemplarische Darstellung der Oberflächenhärte bei der Schutzschicht gemäß Fig. 4;
- Fig. 6
- einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Spur einer Schutzschicht quer zur Bewegungsrichtung beim Aufbringen derselben ähnlich Fig. 3 und
- Fig. 7
- einen Querschnitt durch mehrere nebeneinanderliegende Spuren von Schutzschichten gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und ähnlich Fig. 4.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
wird, wie in Fig. 1 dargestellt, in einem ersten
Verfahrensschritt ein Werkstück 10 auf einer Oberfläche 12
mit einer auf dieser aufgetragenen Deckschicht 14 versehen.
Dies erfolgt vorzugsweise in einer konventionellen Beschichtungsanlage
16, in welcher thermische Spritzschichten erzeugbar
sind, wobei die Beschichtungsanlage 16 als konventionelle
Beschichtungsanlage zum Erzeugen von Flammspritzschichten
oder Plasmaspritzschichten oder Vakuumspritzschichten
oder auch Hochgeschwindigkeits-Spritzschichten
ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist die Deckschicht 14 eine Dicke von 100 bis
500 µm auf.
Das Werkstück aus einem Kupferwerkstoff ist vorzugsweise aus
reinem Kupfer oder Kupferlegierungen, wobei es sich bei
diesem Werkstück 10 um jede Art von Bauteil aus Kupfer
handeln kann. Beispielsweise sind derartige Bauteile
Kokillen oder Walzen für die Stahlindustrie, bei denen es
einerseits auf die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers
ankommt und andererseits die Oberfläche 12 des Werkstücks 10
geschützt werden muß.
Nach dem Versehen der Oberfläche 12 des Werkstücks 10 mit
der Deckschicht 14 erfolgt das Aufbringen einer Schutzschicht
18 für die Oberfläche 12 des Werkstücks 10 in einer
Laserbeschichtungsanlage 20, welche einen eine Laserstrahlung
22 erzeugenden Hochleistungslaser 24 aufweist und einen
Bearbeitungskopf 26 mit einer Fokussieroptik 28, welche die
aus dem Hochleistungslaser 24 kommende Laserstrahlung 22 auf
einen Brennfleck 30 abbildet. Durch die Laserstrahlung 22
wird im Bereich des Brennflecks 30 ein Schmelzbad 32 erzeugt,
in welchem alle Komponenten der späteren Schutzschicht
18 erschmolzen werden und aus welchem die Schutzschicht
18 sich durch Abkühlen abscheidet, wobei das
Schmelzbad 32 in einer Bewegungsrichtung 34 parallel zur
Oberfläche 12 des Werkstücks 10 wandert und dem Schmelzbad
32 über einen als Ganzes mit 36 bezeichneten Beschichtungsmodul
die einzelnen Komponenten der Schutzschicht 18 im
wesentlichen in Form eines Pulverstrahls 38 zugeführt werden,
wobei dieser Pulverstrahl 38 noch von einer inerten
Atmosphäre, vorzugsweise einem Schutzgasmantel aus beispielsweise
Helium und/oder Argon, beispielsweise zugeführt
mit einem Durchsatz von 5 - 50 l/min, umgeben ist. Hierzu
ist zusätzlich noch ein den Beschichtungsmodul 36 versorgendes
Pulverfördersystem 40 vorgesehen.
Bei der auf das Werkstück 10 aufgetragenen Schutzschicht 18
handelt es sich beispielsweise um eine Nickelbasislegierung,
es können aber auch andere Legierungen als Schutzschicht
herangezogen werden, beispielsweise Legierungen auf der
Basis von Kobalt oder Eisen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer derartigen, in Form
einer sogenannten Spur 42 aufgebrachten Schutzschicht 18 ist
in Fig. 3 dargestellt, wobei beiderseits eines Randes der
Spur 42, gekennzeichnet durch die Linien 44 und 46, noch die
Deckschicht 14 zu erkennen ist. Ferner ist zu erkennen, daß
im Bereich einer Breite B der Spur 42 nicht nur die Deckschicht
14 aufgeschmolzen und in die Schutzschicht 18 übergegangen
ist, sondern zusätzlich im Bereich einer Tiefe T
unterhalb der Oberfläche 12 der Kupferwerkstoff des Werkstücks
10 selbst miterschmolzen wurde, und somit ein Teil
des Kupfers ebenfalls in das Schmelzbad 32 Eingang gefunden
hat. Durch dieses Miterschmelzen des Materials des Werkstücks
10 im Bereich der Tiefe T unterhalb der Oberfläche 12
wird eine feste Haftung der Schutzschicht 18 auf dem
Werkstück 10 erzeugt, so daß ein Abplatzen der Schutzschicht
18, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht
mehr erfolgen kann.
Darüber hinaus ist vorzugsweise der Brennfleck 30 so ausgebildet,
daß in einem schmalen mittigen Bereich S der Spur 42
ein Tiefschweißeffekt der Laserstrahlung 22 eintritt und
somit in diesem Bereich S das Material des Werkstücks 10
noch tiefer, und zwar bis zu einer Tiefe TN, erschmolzen
wird, und sich die erstarrte Schutzschicht 18 mit einer Nase
48 tief in das Werkstück 10 hineinerstreckt und somit mit
dieser Nase 48 noch zusätzlich formschlüssig in dem Werkstück
10 verankert ist.
Durch überlappendes Legen derartiger einzelner Spuren 42,
ist, wie in Fig. 4 dargestellt, eine flächenhafte Beschichtung
des Werkstücks 10 über eine beliebige Breite möglich,
wobei jede Spur 42 mit einer eigenen Nase 48 in dem Werkstück
10 verankert ist und somit die insgesamt entstehende
Schutzschicht 18 ebenfalls mehrfach über die Nasen 48 in dem
Werkstück 10 verankert ist.
Die Eigenschaften eines mit einer derartigen Schutzschicht
18 versehenen Werkstücks 10, beispielsweise dessen Härteeigenschaften,
sind exemplarisch in Fig. 5 dargestellt.
Dabei ist erkennbar, daß die Schutzschicht 18 parallel zur
Oberfläche eine im wesentlichen konstante Härte aufweist,
während im Abstand von einer Oberfläche der Schutzschicht 18
aus gesehen bis in die Tiefe des Werkstücks 10 hineinverlaufend
die Härte ungefähr konstant bleibt, und zwar über
die Dicke D der Schutzschicht 18, und dann auf die Härte des
Materials des Werkstücks 10 selbst, d.h. also des Kupferwerkstoffs,
übergeht.
Ferner ist bei einer derartigen Schutzschicht 18, abgesehen
von der Nase 48, das Werkstück 10 bis in eine Tiefe T unterhalb
der ursprünglichen Oberfläche von ungefähr 10 bis ungefähr
100 µm, vorzugsweise ungefähr 50 bis ungefähr 100 µm
erschmolzen. Dieses Material des Werkstücks 10 ist in der
Schutzschicht 18 aufgegangen. Durch dieses Erschmelzen des
Werkstücks 10 in einer geringen Tiefe unterhalb der Oberfläche
12, ist bereits eine innige Verbindung zwischen der
Schutzschicht 18 und dem Werkstück 10 herstellbar.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer in Form einer
Spur 42' aufgebrachten Schutzschicht 18' ist, wie in Fig. 6
dargestellt, ebenfalls noch beiderseits eines Randes der
Spur 42, gekennzeichnet durch die Linien 44 und 46, die
Deckschicht 14 zu erkennen und ferner ist ebenfalls im
Bereich einer Breite B der Spur 42' nicht nur die Deckschicht
14 aufgeschmolzen und in die Schutzschicht 18' ebenfalls
übergegangen, sondern zusätzlich ebenfalls im Bereich
der Tiefe T unterhalb der Oberfläche 12 der Kupferwerkstoff
des Werkstücks 10 miterschmolzen, um einen metallurgischen
Verbund mit dem Kupferwerkstoff des Werkstücks 10 herzustellen.
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel fehlt jedoch
die Ausbildung der Nase 48 mittels des Tiefschweißeffekts,
so daß die Schicht 18' lediglich mit dem aufgeschmolzenen
Bereich mit der Tiefe T und dem sich dabei bildenden metallurgischen
Verbund auf dem Werkstück 10 fest haftet und
ein Abplatzen der Schutzschicht 18' nicht mehr erfolgen
kann.
Mit der Schutzschicht 18' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
lassen sich ebenfalls, wie in Fig. 7 dargestellt,
mehrere Spuren 42' überlappend nebeneinanderlegen, so daß
diese eine durchgängige großflächige Schutzschicht 18' auf
dem Werkstück 10 bilden, welche ebenfalls lediglich über den
metallurgischen Verbund, gebildet durch das Miterschmelzen
des Kupferwerkstoffs des Werkstücks 10 im Bereich der Tiefe
T (vorzugsweise ungefähr 50 bis ungefähr 100µm) auf dem
Werkstück 10 haftet, ohne daß die Ausbildung der Nasen 48
erforderlich ist.
Im übrigen ist das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schutzschicht 18' genauso ausgebildet wie das
erste Ausführungsbeispiel, so daß bezüglich weiterer Merkmale
vollinhaltlich auf das erste Ausführungsbeispiel Bezug
genommen werden kann.
Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schutzschicht können folgende
Kupferwerkstoffe Verwendung finden.
- sauerstoffhaltig (für E-Technik) z.B. E-Cu 58 (DIN 1787)
- sauerstoffrei (für Apparatebau) z.B. SF-Cu (DIN 1787)
(Konzentration der Legierungselemente < 1%, Rest Cu)
- aushärtbare Knetlegierung z.B. CuCrZr (DIN 17666)
- nicht aushärtbare Knetlegierung z.B. CuTeP (DIN 17666)
- aushärtbare Gußlegierung z.B. G-CuCr (DIN 17655)
- ohne weitere Legierungselemente (5 - 40% Zn, Rest Cu)
- mit Blei (0,5 - 3% Pb, ca. 40% Zn, Rest Cu)
- mit weiteren Legierungselementen (Al, Mn, Sn, Fe, Ni, Pb, As)
(2 - 5% Sn, bis 0,4% P, Rest Cu)
(9,5 - 44% Ni, Sn, Fe, Mn, Rest Cu)
(5 - 11% Al, As, Fe, Mn, Ni, Rest Cu)
Ferner kommt vorzugsweise eine Deckschicht mit einer Dicke
von 100 bis 500 µm, vorzugsweise ungefähr 300 bis ungefähr
500 um, aufgebracht als thermische Schutzschicht zum Einsatz,
für die folgende Legierungen Verwendung finden können:
| Nickel-Basis-Legierung |
| Cr 5 bis 25 Gew.% |
| B 2 bis 4 Gew.% |
| Si 2 bis 4 Gew.% |
| W 0 bis 15 Gew.% |
| C 0 bis 6 Gew.% |
| Mo 0 bis 5 Gew.% |
| Ti 0 bis 2 Gew.% |
| Rest Ni |
| Eisenbasislegierung |
| Cr 5 bis 25 Gew.% |
| B 2 bis 4 Gew.% |
| Si 2 bis 4 Gew.% |
| W 0 bis 15 Gew.% |
| C 0 bis 6 Gew.% |
| Mo 0 bis 5 Gew.% |
| Ti 0 bis 2 Gew.% |
| Rest Fe |
| Kobalt-Basis-Legierung |
| Cr 5 bis 25 Gew.% |
| B 2 bis 4 Gew.% |
| Si 2 bis 4 Gew.% |
| W 0 bis 15 Gew.% |
| C 0 bis 6 Gew.% |
| Mo 0 bis 5 Gew.% |
| Ti 0 bis 2 Gew.% |
| Rest Co |
Die Schutzschicht wird mit einer Dicke D von mindestens 100
bis 300µm, vorzugsweise ungefähr 1 bis ungefähr 3 mm, bevorzugterweise
ungefähr 1 bis ungefähr 2 mm, aufgebracht, wobei
vorzugsweise ebenfalls die Nickelbasislegierung oder die
Kobaltbasislegierung oder die Eisenbasislegierung wie
vorstehend angegeben, Verwendung finden.
Die Schutzschicht ist im Fall des Auftragens einer Legierung
als Deckschicht und des späteren Auftragens derselben Legierung
zur Bildung der Schutzschicht eine homogen durchmischte
Schicht die auch die Legierung der Deckschicht mitumfaßt.
Claims (9)
- Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Kupferwerkstoffen mit einer Schutzschicht, bei welchem der Kupferwerkstoff durch Auftragen einer Deckschichtlegierung mit einer Deckschicht versehen wird und anschließend im Bereich einer Auftragfläche die Schutzschicht durch Aufschmelzen einer Schutzschichtlegierung mit Laserstrahlung und durch ein im wesentlichen im Bereich der Auftragfläche erfolgendes Anschmelzen des Kupferwerkstoffs mit diesem verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem vom Laserstrahl erzeugten Schmelzbad erschmolzene Schutzschichtlegierung in Form eines mit dem Laserstrahl mitgeführten Pulverstrahls zugeführt wird, daß die Schutzschichtlegierung eine oder mehrere der Komponenten Nickel, Kobalt oder Eisen umfaßt, daß die Deckschicht aus einer Legierung gebildet wird, die hinsichtlich Nickel, Kobalt oder Eisen dieselben Komponenten wie die Schutzschichtlegierung umfaßt, und daß die Deckschicht im Schmelzbad vollständig miterschmolzen wird und zusammen mit der Schutzschichtlegierung sowie Anteilen des Kupferwerkstoffs nach dem Erstarren die Schutzschicht bildet.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht derart die Laserstrahlungsabsorption verändert, daß die Deckschicht und der Kupferwerkstoff im Bereich der Auftragfläche gemeinsam erschmolzen werden.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht in Form einer thermischen Spritzschicht auf die Oberfläche des Kupferwerkstoffs aufgetragen wird.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftragfläche hinsichtlich ihrer Ausdehnung im wesentlichen der Ausdehnung eines sich aus den erschmolzenen Schutzschichtkomponenten bildenden Schmelzbadbereichs entspricht.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Auftragflächen sich überlappen.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Auftragflächen eine Beschichtungsspur bilden.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff im Bereich der Auftragfläche über eine bestimmte Tiefe von mindestens 10 bis 50 µm als dünne Schicht miterschmolzen wird.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff in einem Teilbereich der Auftragfläche durch den Tiefschweißeffekt erschmolzen wird.
- Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff zum Auf. tragen der Schutzschicht vorgewärmt wird.
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