EP1161571A1 - Method for machining a component surface - Google Patents

Method for machining a component surface

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EP1161571A1
EP1161571A1 EP00903632A EP00903632A EP1161571A1 EP 1161571 A1 EP1161571 A1 EP 1161571A1 EP 00903632 A EP00903632 A EP 00903632A EP 00903632 A EP00903632 A EP 00903632A EP 1161571 A1 EP1161571 A1 EP 1161571A1
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EP
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component
piston
cylinder
carried out
crankcase
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EP00903632A
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Rolf Heinemann
Klaus Färber
Thomas Heider
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Volkswagen AG
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Publication date
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Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a surface of a component by means of a plasma jet in a processing zone, according to the preamble of claim 1.
  • hypoeutectic aluminum-silicon alloys mainly used for cylinder crankcases are unsuitable for the tribological loading of the piston-piston ring-cylinder raceway system due to the low proportion of the wear-resistant silicon phase.
  • Hypereutectic alloys, such as the alloy AISil 7 Cu 4 Mg have a sufficient proportion of silicon crystallites.
  • This hard, wear-resistant structural component is highlighted by chemical and / or mechanical processing steps compared to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required wing portion.
  • the castability, the poor machinability and the high costs of this alloy are disadvantageous compared to the hypoeutectic and nearutectic alloys.
  • the present invention has for its object to provide an improved method of the type mentioned above, which eliminates the disadvantages mentioned above and achieves rapid production in a short process time.
  • the particle beam at least partially sweeps over the surface of the component to be machined in a predetermined pattern.
  • the thermal spraying is expediently carried out by means of flame spraying, plasma spraying with a plasma jet or HV spraying.
  • the predetermined pattern comprises at least one, in particular two opposite or more spiral-like sweeps of the surface to be processed with a predetermined slope with an angle ⁇ of, for example, 1 ° to 90 °.
  • the pattern comprises a linear, angular, crosswise and / or punctiform sweep of the surface to be processed.
  • the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in a cylinder of a crankcase of an internal combustion engine
  • the sweep is expediently carried out in a predetermined pattern in a region between an upper and lower dead center of the piston.
  • the plasma jet at least partially covers the surface of the component to be machined in order to achieve a full-surface alloy.
  • the full-surface sweep is preferably carried out in a region of the top and / or bottom dead center of the piston.
  • the full area sweep is carried out, for example, at least at a height which corresponds to a width of a piston ring packet of the piston, it being particularly preferred that the full area sweep over the width of the piston ring packet by 12% of a piston stroke, for example by approximately 5 mm.
  • the surface of the component is additionally processed, in particular remelted, with a laser beam after processing.
  • a melting bath is expediently formed in the coating zone when the material of the component is melted.
  • component is made of aluminum and is in particular a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, on the cylinder running surfaces of which the coating is carried out by cylinders.
  • a cooling medium in particular gas, nitrogen or a cooling liquid, flows through a water chamber of the crankcase during the production of the wear-resistant surface.
  • a powdery material in particular silicon or a silicon alloy, is applied to the material of the component in a particularly preferred manner by means of the particle beam, this material of the component preferably being aluminum.
  • a wear-resistant surface in particular in the form of a thermal spray layer, is formed on the surface of the component. It is particularly advantageous to connect a post-processing by means of a honing process to the machining process for producing the wear-resistant surface, by means of which the hardened surface is smoothed.
  • FIG. 1 shows a device for processing a component with a plasma beam and a laser beam in a schematic sectional view
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a first preferred embodiment of a machining pattern according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a second preferred embodiment of a machining pattern according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of further preferred embodiments of machining patterns according to the invention.
  • the preferred embodiment of a device for surface processing shown in FIGS. 1 and 2 comprises a plasma torch 10 and a laser 12, the plasma torch 10 emitting a plasma beam 14 with a coating material 16 and the laser 12 emitting a laser beam 18.
  • a component to be machined here is a crankcase (not shown) with corresponding cylinder bores 19, a surface 20 of a cylinder wall 22 being machined.
  • the crankcase is made of aluminum, for example, and the processing of the surface 20 serves to form a wear-resistant surface in the region of a cylinder raceway, on which a piston, not shown, moves up and down in the cylinder 19.
  • the coating material 16 has, for example, powdered silicon, which is applied to the surface 20 as melted coating elements by means of the plasma jet 14.
  • the plasma jet 14 sweeps over the surface 20 by guiding the plasma torch 10 into the cylinder 19 and thereby is rotated about its own axis, as indicated by arrows 24 (Fig. 1) and 25 (Fig. 2).
  • the area on which the plasma jet 14 currently strikes is referred to below as the processing area or coating zone 26.
  • the coating material 16 is introduced into the material of the cylinder wall 22.
  • the laser 12 provided in addition to the plasma torch 10 is arranged such that it strikes the surface 20 in the machining direction 25 in front of the plasma beam 14.
  • the energy of the laser 12 is selected such that the material of the cylinder wall 22 melts at the point of incidence of the laser beam 18, so that a melt or molten bath 28 is formed immediately before the plasma beam 14 strikes.
  • the plasma beam 14 lags behind the laser beam 18 and applies the coating material 16 contained in the plasma to the melt 28. In this way, the coating material 16 is optimally alloyed into the material of the cylinder wall 22.
  • a laser coating and a plasma coating are thus carried out and coupled in a single work step.
  • the distance between laser beam 18 and plasma beam 14 is, among other things. a function of the laser power, the desired melting depth, the melting length, the reflectance of the material of the cylinder wall 22 and the diameter of the cylinder 19.
  • the surface 20 with the double beam of laser beam 18 and plasma beam 14 is not swept over the entire surface of the cylinder, but in a predetermined area according to a predetermined pattern.
  • 3 to 5 show examples of such patterns for a laser alloying and application track 29.
  • a sweep takes place in the areas of an upper dead center 30 (TDC) and a lower dead center 32 (UT) of a piston (not shown) over the entire surface, namely at a height which corresponds to a height 34 of a piston ring package plus, for example, 5 mm, corresponding to 12% of a stroke of the piston.
  • TDC upper dead center 30
  • UT lower dead center 32
  • the surface 20 is swept in a helical or spiral manner with a pitch angle ⁇ 36 of, for example, 1 ° to 90 °.
  • the surface 20 is swept with two opposing coils.
  • Training also provided three or more coils.
  • the surface 20 is swept in a linear, angular, cross-wise or punctiform manner.
  • the laser 12 is used in order to increase a silicon portion 16 in an edge layer of an underutectic or near-eutectic aluminum alloy of the cylinder wall 22.
  • AlSi powder is introduced into the generated melt 28 during the laser process with a suitable feed in the one-step process shown.
  • layer thicknesses of over 2 mm can be achieved.
  • the aim here is only a low degree of mixing with the base material.
  • the silicon content in the powder supplied is in a range between 20% and 40%. If considerably smaller layer thicknesses with a high degree of mixing are required, powders 16 with silicon contents between 40% and 60% are used.
  • the powder particles 16 are to dissolve completely in the melt 28, it is necessary to ensure a minimum melt bath life using the process parameters feed rate and laser power.
  • a suitable beam intensity distribution is preferred for low-cost processing.
  • fused lenses with a cross section that is as rectangular as possible and thus little track overlap are advantageous.
  • the melt pool 28 generated directly by the laser 12 in the feed direction 25 in front of the plasma coating zone 26 leads to a metallic bond between the powder particles 16 which are in the solid or liquid state and the substrate.
  • the layer structure consists of the substrate material, a thin alloyed zone with dissolved and partially only melted-on former powder particles 16 and a spray layer which is relatively thick in relation to it.
  • the layer adhesion between the spray and alloy layers can be increased considerably due to improved micro-toothing with correspondingly selected process parameters. This saves an otherwise necessary, complex and cost-intensive preparation of the surface 20 to be coated (cleaning and blasting) in order to achieve adequate layer adhesion of a spray layer.
  • the coating process described for the surface of a component can also be followed by a honing process for smoothing it.
  • An alternative and particularly preferred embodiment of the invention is to combine thermal spraying and laser surface treatment in such a way that when the coating material 16 is applied over the entire surface by means of thermal spraying or when the cylinder surface is spray-coated over its entire surface, the laser or laser beam is only partially tracked, whereby the track is designed analogously to the pattern explained above with regard to the plasma coating.
  • the laser runs continuously during the spray coating, for example, but is only partially switched on, so that a desired pattern is obtained.

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Abstract

The invention relates to a method for machining the surface of a component by means of a particle stream produced by thermal spraying. According to the invention the particle stream scans the surface of the component to be machined at least partly in accordance with a defined pattern.

Description

Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils Process for processing a surface of a component
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils mittels eines Plasmastrahles in einer Bearbeitungszone, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for processing a surface of a component by means of a plasma jet in a processing zone, according to the preamble of claim 1.
Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring- Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z.B. die Legierung AISil7Cu4Mg besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.The hypoeutectic aluminum-silicon alloys mainly used for cylinder crankcases are unsuitable for the tribological loading of the piston-piston ring-cylinder raceway system due to the low proportion of the wear-resistant silicon phase. Hypereutectic alloys, such as the alloy AISil 7 Cu 4 Mg have a sufficient proportion of silicon crystallites. This hard, wear-resistant structural component is highlighted by chemical and / or mechanical processing steps compared to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required wing portion. However, the castability, the poor machinability and the high costs of this alloy are disadvantageous compared to the hypoeutectic and nearutectic alloys.
Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.One way to circumvent this disadvantage is to cast in liners made of wear-resistant material such as Gray cast iron and hypereutectic aluminum alloys. The problem here, however, is the connection between the bushing and the casting, which is ensured solely by mechanical toothing. By using a porous ceramic bushing material, it is possible to infiltrate it during the casting process and to achieve a material connection. This requires slow mold filling and the application of high pressure, which considerably reduces the cost-effectiveness of the process.
Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen der galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 196 43 029 A1 bekannt. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die so erstellten Beschichtungen der Zylinderlaufbahn zu Porös sind und eine relativ geringe Eindringtiefe aufweisen. In der Folge kommt es zu einer geringeren Anhaftung der aufgebrachten Schicht als wünschenswert ist. Ferner sind entsprechende Prozeßzeiten der Oberflächenbearbeitung sehr hoch, so daß sich dementsprechend hohe Fertigungskosten ergeben.Alternatively, sub- and near-eutectic alloys of the galvanic coatings are applied directly to the raceways. However, this is expensive and insufficiently stable tribochemically. Another alternative is thermal spray coatings, which are also applied directly to the running surfaces. However, the adhesive strength of these layers is only insufficient due to micromechanical clamping alone. It has therefore already been proposed to carry out the surface modifications remelting, alloying, dispersing and coating by using a laser, as is known, for example, from DE 196 43 029 A1. However, this has the disadvantage that the coatings of the cylinder race created in this way are too porous and have a relatively small penetration depth. As a result, there is less adhesion of the applied layer than is desirable. In addition, corresponding process times for surface processing are very long, so that correspondingly high production costs result.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der obengenannten Art Verfügung zu stellen, welches die zuvor erwähnten Nachteile beseitigt und eine schnelle Fertigung in kurzer Prozeßzeit erzielt.The present invention has for its object to provide an improved method of the type mentioned above, which eliminates the disadvantages mentioned above and achieves rapid production in a short process time.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method of the above. Kind with the features characterized in claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Teilchenstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise in einem vorbestimmten Muster überstreicht.In a procedure of the above According to the invention, it is provided that the particle beam at least partially sweeps over the surface of the component to be machined in a predetermined pattern.
Dies hat den Vorteil, daß eine Verkürzung einer Prozeßzeit dadurch erzielt wird, daß in beispielsweise weniger belasteten Bereichen eine lediglich partielle Bearbeitung erfolgt.This has the advantage that a shortening of a process time is achieved in that, for example, only partial processing takes place in less stressed areas.
Zweckmäßigerweise wird das thermische Spritzen mittels Flammspritzen, Plasmaspritzen mit einem Plasmastrahl oder HV-Spritzen durchgeführt.The thermal spraying is expediently carried out by means of flame spraying, plasma spraying with a plasma jet or HV spraying.
Beispielsweise umfaßt das vorbestimmte Muster wenigstens eine, insbesondere zwei gegensinnige oder mehr spiralartige Überstreichungen der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer vorbestimmten Steigung mit einem Winkel α von beispielsweise 1° bis 90°. Alternativ oder zusätzlich umfaßt das Muster eine linienförmige, winkelförmige, kreuzweise und/oder punktförmige Überstreichung der zu bearbeitenden Oberfläche. Wenn hierbei die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist, dann erfolgt die Überstreichung zweckmäßigerweise in einem vorbestimmten Muster in einem Bereich zwischen einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens. In beispielsweise hoch belasteten Bereichen des Bauteiles überstreicht der Plasmastrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise vollflächig, um eine vollflächige Legierung zu erzielen. Ist hierbei die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, dann wird die vollflächige Überstreichung bevorzugt in einem Bereich des oberen und/oder unteren Totpunktes des Kolbens durchgeführt wird. Dabei wird die vollflächige Überstreichung beispielsweise wenigstens in einer Höhe durchgeführt, welche einer Breite eines Kolbenringpaketes des Kolbens entspricht, wobei es besonders bevorzugt ist, daß die vollflächige Überstreichung die Breite des Kolbenringpaketes um 12% eines Kolbenhubes, beispielsweise um ca. 5 mm, überragt.For example, the predetermined pattern comprises at least one, in particular two opposite or more spiral-like sweeps of the surface to be processed with a predetermined slope with an angle α of, for example, 1 ° to 90 °. Alternatively or additionally, the pattern comprises a linear, angular, crosswise and / or punctiform sweep of the surface to be processed. If the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in a cylinder of a crankcase of an internal combustion engine, then the sweep is expediently carried out in a predetermined pattern in a region between an upper and lower dead center of the piston. In, for example, highly stressed areas of the component, the plasma jet at least partially covers the surface of the component to be machined in order to achieve a full-surface alloy. If the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in a cylinder of a crankcase of an internal combustion engine, then the full-surface sweep is preferably carried out in a region of the top and / or bottom dead center of the piston. The full area sweep is carried out, for example, at least at a height which corresponds to a width of a piston ring packet of the piston, it being particularly preferred that the full area sweep over the width of the piston ring packet by 12% of a piston stroke, for example by approximately 5 mm.
Dadurch, daß ein Werkstoff des Bauteiles unmittelbar vor dem Ort des Auftreffens, am Ort des Auftreffens und/oder nach dem Ort des Auftreffens des Teilchenstrahles mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird, ergibt sich eine Bearbeitung mit höherer Eindringtiefe, besserem Werkstoffeintrag und besserer Ankopplung eines mit dem Plasmastrahl aufgetragenen Werkstoffes an dem Werkstoff des Bauteils.The fact that a material of the component is melted with a laser beam immediately before the point of impact, at the point of impact and / or after the point of impact of the particle beam results in processing with a greater depth of penetration, better material input and better coupling of one with the Plasma beam of applied material on the material of the component.
Zum weiteren Verbessern von Eigenschaften der aufgebrachten Beschichtung wird nach der Bearbeitung die Oberfläche des Bauteils zusätzlich mit einem Laserstrahl bearbeitet, insbesondere umgeschmolzen.To further improve the properties of the applied coating, the surface of the component is additionally processed, in particular remelted, with a laser beam after processing.
Zweckmäßigerweise wird mit dem Aufschmelzen des Werkstoffes des Bauteiles in der Beschichtungszone ein Schmelzbad ausgebildet.A melting bath is expediently formed in the coating zone when the material of the component is melted.
Beispielsweise ist Bauteil aus Aluminium gefertigt und ist insbesondere ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Beschichtung durchgeführt wird. Hierbei wird in einer bevorzugten Ausführungsform während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt.For example, component is made of aluminum and is in particular a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, on the cylinder running surfaces of which the coating is carried out by cylinders. In a preferred embodiment, a cooling medium, in particular gas, nitrogen or a cooling liquid, flows through a water chamber of the crankcase during the production of the wear-resistant surface.
Zum Herstellen einer verschleißfesten Oberfläche wird in besonders bevorzugter Weise mittels des Teilchenstrahles ein pulverförmiger Werkstoff, Insbesondere Silizium oder eine Silizium-Legierung, auf den Werkstoff des Bauteils aufgetragen, wobei dieser Werkstoff des Bauteils bevorzugt Aluminium ist. Beispielsweise wird mit der Bearbeitung der Oberfläche eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere in Form einer thermischen Spritzschicht, auf der Oberfläche des Bauteiles ausgebildet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, an den Bearbeitungsvorgang zur Herstellung der verschleißfesten Oberfläche eine Nachbearbeitung mittels eines Hon- Verfahrens anzuschließen, durch die die gehärtete Oberfläche geglättet wird.To produce a wear-resistant surface, a powdery material, in particular silicon or a silicon alloy, is applied to the material of the component in a particularly preferred manner by means of the particle beam, this material of the component preferably being aluminum. For example, when the surface is machined, a wear-resistant surface, in particular in the form of a thermal spray layer, is formed on the surface of the component. It is particularly advantageous to connect a post-processing by means of a honing process to the machining process for producing the wear-resistant surface, by means of which the hardened surface is smoothed.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen inFurther features, advantages and advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims and from the following description of the invention with reference to the accompanying drawings. These show in
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Bauteils mit einem Plasmastrahl und einem Laserstrahl in schematischer Schnittansicht,1 shows a device for processing a component with a plasma beam and a laser beam in a schematic sectional view,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Bearbeitungszone,2 is an enlarged view of a processing zone,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsmusters,3 shows a schematic illustration of a first preferred embodiment of a machining pattern according to the invention,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsmusters,4 shows a schematic illustration of a second preferred embodiment of a machining pattern according to the invention,
Fig. 5 eine schematische Darstellung weiterer bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bearbeitungsmuster.5 shows a schematic illustration of further preferred embodiments of machining patterns according to the invention.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Oberflächenbearbeiten umfaßt einen Plasmabrenner 10 und einen Laser 12, wobei der Plasmabrenner 10 einen Plasmastrahl 14 mit einem Beschichtungswerkstoff 16 und der Laser 12 einen Laserstrahl 18 abgibt. Ein zu bearbeitendes Bauteil ist hier ein nicht näher dargestelltes Kurbelgehäuse mit entsprechenden Zylinderbohrungen 19, wobei eine Oberfläche 20 einer Zylinderwand 22 zu bearbeiten ist. Das Kurbelgehäuse ist beispielsweise aus Aluminium gefertigt und die Bearbeitung der Oberfläche 20 dient zum Ausbilden einer verschleißfesten Oberfläche im Bereich einer Zylinderlaufbahn, auf der sich ein nicht dargestellter Kolben im Zylinder 19 auf- und abbewegt. Hierzu weist der Beschichtungswerkstoff 16 beispielsweise pulverförmiges Silizium auf, welches als angeschmolzene Beschichtungselemente mittels des Plasmastrahles 14 auf die Oberfläche 20 aufgetragen werden. Hierzu überstreicht der Plasmastrahl 14 die Oberfläche 20, indem der Plasmabrenner 10 in den Zylinder 19 hinein geführt und dabei um die eigene Achse gedreht wird, wie mit Pfeilen 24 (Fig. 1) und 25 (Fig. 2) angedeutet. Derjenige Bereich, auf den der Plasmastrahl 14 momentan auftrifft, wird nachfolgend als Bearbeitungsbereich oder Beschichtungszone 26 bezeichnet. In diesem Bereich erfolgt ein Eintrag des Beschichtungswerkstoffes 16 in den Werkstoff der Zylinderwand 22.The preferred embodiment of a device for surface processing shown in FIGS. 1 and 2 comprises a plasma torch 10 and a laser 12, the plasma torch 10 emitting a plasma beam 14 with a coating material 16 and the laser 12 emitting a laser beam 18. A component to be machined here is a crankcase (not shown) with corresponding cylinder bores 19, a surface 20 of a cylinder wall 22 being machined. The crankcase is made of aluminum, for example, and the processing of the surface 20 serves to form a wear-resistant surface in the region of a cylinder raceway, on which a piston, not shown, moves up and down in the cylinder 19. For this purpose, the coating material 16 has, for example, powdered silicon, which is applied to the surface 20 as melted coating elements by means of the plasma jet 14. For this purpose, the plasma jet 14 sweeps over the surface 20 by guiding the plasma torch 10 into the cylinder 19 and thereby is rotated about its own axis, as indicated by arrows 24 (Fig. 1) and 25 (Fig. 2). The area on which the plasma jet 14 currently strikes is referred to below as the processing area or coating zone 26. In this area, the coating material 16 is introduced into the material of the cylinder wall 22.
Der zusätzlich zum Plasmabrenner 10 vorgesehene Laser 12 ist derart angeordnet, daß er in Bearbeitungsrichtung 25 vor dem Plasmastrahl 14 auf die Oberfläche 20 trifft. Hierbei ist die Energie des Lasers 12 derart gewählt, daß am Auftreffpunkt des Laserstrahles 18 der Werkstoff der Zylinderwandung 22 aufschmilzt, so daß unmittelbar vor dem Auftreffen des Plasmastrahles 14 eine Schmelze bzw. ein Schmelzbad 28 entsteht. Mit anderen Worten eilt der Plasmastrahl 14 dem Laserstrahl 18 nach und trägt den im Plasma enthaltenen Beschichtungswerkstoff 16 auf die Schmelze 28 auf. Auf diese Weise wird der Beschichtungswerkstoff 16 in optimaler Weise in den Werkstoff der Zylinderwand 22 einlegiert.The laser 12 provided in addition to the plasma torch 10 is arranged such that it strikes the surface 20 in the machining direction 25 in front of the plasma beam 14. Here, the energy of the laser 12 is selected such that the material of the cylinder wall 22 melts at the point of incidence of the laser beam 18, so that a melt or molten bath 28 is formed immediately before the plasma beam 14 strikes. In other words, the plasma beam 14 lags behind the laser beam 18 and applies the coating material 16 contained in the plasma to the melt 28. In this way, the coating material 16 is optimally alloyed into the material of the cylinder wall 22.
Es wird somit eine Laserbeschichtung und eine Plasmabeschichtung und in einem einzigen Arbeitsschritt gekoppelt ausgeführt. Der Abstand zwischen Laserstrahl 18 und Plasmastrahl 14 ist dabei u.a. eine Funktion der Laserleistung, der gewünschten Anschmelztiefe, der Schmelzlänge, des Reflexionsgrades des Werkstoffes der Zylinderwand 22 und des Durchmessers des Zylinders 19.A laser coating and a plasma coating are thus carried out and coupled in a single work step. The distance between laser beam 18 and plasma beam 14 is, among other things. a function of the laser power, the desired melting depth, the melting length, the reflectance of the material of the cylinder wall 22 and the diameter of the cylinder 19.
Die Überstreichung der Oberfläche 20 mit dem Doppelstrahl aus Laserstrahl 18 und Plasmastrahl 14 erfolgt dabei erfindungsgemäß nicht über die gesamte Zylinderlauffläche vollflächig, sondern in einem vorbestimmten Bereich gemäß einem vorbestimmten Muster. Die Fig. 3 bis 5 zeigen beispielhaft derartige Muster für eine Lasereinlegierungsund -auftragsspur 29.According to the invention, the surface 20 with the double beam of laser beam 18 and plasma beam 14 is not swept over the entire surface of the cylinder, but in a predetermined area according to a predetermined pattern. 3 to 5 show examples of such patterns for a laser alloying and application track 29.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, erfolgt eine Überstreichung in Bereichen eines oberen Totpunktes 30 (OT) und eines unteren Totpunktes 32 (UT) eines nicht dargestellten Kolbens vollflächig und zwar in einer Höhe, welche einer Höhe 34 eines Kolbenringpaketes entspricht plus beispielsweise 5 mm, entsprechend 12% eines Hubes des Kolbens. In einem Bereich zwischen OT 30 und UT 32 erfolgt die Überstreichung der Oberfläche 20 wendelartig bzw. spiralartig mit einem Steigungswinkel α 36 von beispielsweise 1° bis 90°.As can be seen from FIG. 3, a sweep takes place in the areas of an upper dead center 30 (TDC) and a lower dead center 32 (UT) of a piston (not shown) over the entire surface, namely at a height which corresponds to a height 34 of a piston ring package plus, for example, 5 mm, corresponding to 12% of a stroke of the piston. In a region between OT 30 and UT 32, the surface 20 is swept in a helical or spiral manner with a pitch angle α 36 of, for example, 1 ° to 90 °.
Bei dem Muster gemäß Fig. 4 erfolgt eine Überstreichung der Oberfläche 20 mit zwei gegenläufigen Wendeln. Hierbei sind in einer bevorzugten, nicht dargestellten Weiterbildung auch drei oder mehr Wendeln vorgesehen. Gemäß der Ausführungsform von Fig. 5 erfolgt die Überstreichung der Oberfläche 20 linienförmig, winkelförmig, kreuzweise oder punktförmig.In the pattern according to FIG. 4, the surface 20 is swept with two opposing coils. Here are in a preferred, not shown Training also provided three or more coils. According to the embodiment of FIG. 5, the surface 20 is swept in a linear, angular, cross-wise or punctiform manner.
Die nur teilweise Überstreichung der Oberfläche 20 in weniger belasteten Bereichen stellt einerseits eine ausreichende verschleißfeste Oberfläche der Zylinderlaufbahn sicher und führt andererseits zu verkürzten Prozeßzeiten in der Fertigung und dementsprechend niedrigeren Kosten.The only partial sweeping of the surface 20 in less stressed areas ensures, on the one hand, an adequate wear-resistant surface of the cylinder race and, on the other hand, leads to shortened process times in production and correspondingly lower costs.
Erfindungsgemäß wird zum einen der Laser 12 benutzt, um einen Siliziumanteil 16 in einer Randschicht einer unter- bzw. naheutektischen Aluminiumlegierung der Zylinderwand 22 zu erhöhen. Dazu wird in dem dargestellten einstufigen Verfahren während des Laserprozesses mit einer geeigneten Zuführung AlSi-Pulver in die erzeugte Schmelze 28 eingebracht. In Abhängigkeit von der Beanspruchung können dabei Schichtdicken von über 2 mm realisiert werden. Hierbei wird ein nur geringer Aufmischungsgrad mit dem Grundwerkstoff angestrebt. Der Siliziumanteil im zugeführten Pulver liegt in einem Bereich zwischen 20% und 40%. Sind erheblich geringere Schichtdicken mit einem hohen Aufmischungsgrad erforderlich, werden Pulver 16 mit Siliziumanteilen zwischen 40% und 60% eingesetzt. Da sich die Pulverteilchen 16 vollständig in der Schmelze 28 auflösen sollen, ist es notwendig über die Verfahrensparameter Vorschubrate und Laserleistung eine minimale Schmelzbadlebensdauer zu gewährleisten. Für eine kostengünstige Bearbeitung ist eine geeignete Strahlintensitätsverteilung bevorzugt. Ferner sind Schmelzlinsen mit möglichst rechteckigem Querschnitt und damit geringer Spurüberlappung vorteilhaft.According to the invention, on the one hand the laser 12 is used in order to increase a silicon portion 16 in an edge layer of an underutectic or near-eutectic aluminum alloy of the cylinder wall 22. For this purpose, AlSi powder is introduced into the generated melt 28 during the laser process with a suitable feed in the one-step process shown. Depending on the load, layer thicknesses of over 2 mm can be achieved. The aim here is only a low degree of mixing with the base material. The silicon content in the powder supplied is in a range between 20% and 40%. If considerably smaller layer thicknesses with a high degree of mixing are required, powders 16 with silicon contents between 40% and 60% are used. Since the powder particles 16 are to dissolve completely in the melt 28, it is necessary to ensure a minimum melt bath life using the process parameters feed rate and laser power. A suitable beam intensity distribution is preferred for low-cost processing. Furthermore, fused lenses with a cross section that is as rectangular as possible and thus little track overlap are advantageous.
Neben dem nach Bedarf vollflächigen Legieren der gesamten Zylinderlaufbahn ist vor allem eine partielle Bearbeitung vorgesehen. Die höher beanspruchten Bereiche des oberen und unteren Kolbenumkehrpunktes (obere Kolbentotpunkt OT 30 bzw. unterer Kolbentotpunkt UT 32) werden vollflächig umgeschmolzen, während in den weniger beanspruchten zwischenliegenden Bereichen nur vereinzelte Laserspuren 29 (z.B. Rautenmuster, vgl. Fig. 3 bis 5) gelegt werden, die dort einen ausreichenden Verschleißschutz gewährleisten. Dieses Vorgehen verkürzt die Prozeßzeiten erheblich, da nur ein geringer Teil der Laufbahnoberfläche bearbeitet werden muß. Sollte eine Laseroberflächenbehandlung der gesamten Laufbahnfläche bzw. des größten Teils notwendig sein, so ist eine Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses notwendig, was beispielsweise mittels Hindurchleiten eines Kühlmediums durch das vorhandene Kühlwassersystem des Kurbelgehäuses erfolgt. Bei nur partieller Bearbeitung ist es ausreichend, die eingebrachte Energie ausschließlich von der Ober- und Unterseite beispielsweise durch Kontakt mit wassergekühlten Kupferplatten abzufahren.In addition to alloying the entire cylinder raceway over the entire surface as required, partial machining is primarily intended. The areas of the upper and lower piston reversal point that are subject to greater stress (upper piston dead center OT 30 and lower piston dead center UT 32) are remelted over their entire surface, while in the less stressed intermediate areas only isolated laser traces 29 (e.g. diamond pattern, see FIGS. 3 to 5) are placed , which ensure adequate wear protection there. This procedure shortens the process times considerably, since only a small part of the career surface has to be processed. If a laser surface treatment of the entire raceway surface or most of it is necessary, cooling of the cylinder crankcase is necessary, which is done, for example, by passing a cooling medium through the existing cooling water system of the crankcase. With only partial editing it is sufficient to remove the energy only from the top and bottom, for example by contact with water-cooled copper plates.
Es wird zusammenfassend eine Kombination des thermischen Spritzens (Plasmaspritzen) und der Laseroberflächenbearbeitung vorgeschlagen. Hierbei wird durch ein Umschmelzen einer vorherig aufgebrachten Spritzschicht die Porosität vermindert sowie bei genügend hoher Einschmelztiefe eine Verbindung mit dem Grundmetall hergestellt. Zweckmäßigerweise wird nur in den höher belasteten Bereichen vollflächig mit dem Laser 12 umgeschmolzen, während in den Restbereichen keine Umschmelzung oder nur eine Umschmelzung in einem musterartigen Bereich, wie beispielsweise Rauten, Schraffur oder Punkte, ausgeführt wird.In summary, a combination of thermal spraying (plasma spraying) and laser surface processing is proposed. Here, by remelting a previously applied spray layer, the porosity is reduced and, if the melting depth is sufficiently high, a connection is established with the base metal. It is expedient for the entire surface to be remelted with the laser 12 only in the areas subject to higher loads, while no remelting or remelting in a pattern-like region, such as diamonds, hatching or dots, is carried out in the remaining regions.
Es besteht nicht nur die Möglichkeit, nachträglich eine aufgebrachte Spritzschicht umzuschmelzen. Das direkt in Vorschubrichtung 25 vor der Plasmabeschichtungszone 26 von dem Laser 12 erzeugtes Schmelzbad 28 führt zu einer metallischen Bindung der im festen bzw. flüssigen Zustand auftreffenden Pulverteilchen 16 mit dem Substrat. Bei hohen Vorschubraten besteht der Schichtaufbau aus dem Substratwerkstoff, einer dünnen einlegierten Zone mit aufgelösten und teilweise nur angeschmolzenen ehemaligen Pulverteilchen 16 sowie einer dazu relativ dicken Spritzschicht. Durch diese Zwischenschicht läßt sich aufgrund verbesserter Mikroverzahnung bei entsprechend gewählten Verfahrensparametern die Schichthaftung zwischen Spritz- und Legierungsschicht erheblich steigern. Dies erspart eine sonst notwendige, aufwendige und kostenintensive Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche 20 (Reinigen und Strahlen), um eine ausreichende Schichthaftung einer Spritzschicht zu erzielen. Dabei kann sich an das beschriebene Beschichtungsverfahren zur Oberfläche eines Bauteiles noch ein Hon-Verfahren zu dessen Glättung anschließen.It is not only possible to remelt an applied spray layer. The melt pool 28 generated directly by the laser 12 in the feed direction 25 in front of the plasma coating zone 26 leads to a metallic bond between the powder particles 16 which are in the solid or liquid state and the substrate. At high feed rates, the layer structure consists of the substrate material, a thin alloyed zone with dissolved and partially only melted-on former powder particles 16 and a spray layer which is relatively thick in relation to it. Through this intermediate layer, the layer adhesion between the spray and alloy layers can be increased considerably due to improved micro-toothing with correspondingly selected process parameters. This saves an otherwise necessary, complex and cost-intensive preparation of the surface 20 to be coated (cleaning and blasting) in order to achieve adequate layer adhesion of a spray layer. The coating process described for the surface of a component can also be followed by a honing process for smoothing it.
Die vorgenannte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen. Eine alternative und besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung liegt darin, thermisches Spritzen und Laseroberflächenbehandlung derart zu kombinieren, daß bei vollflächigem Auftragen des Beschichtungswerkstoffes 16 mittels thermischem Spritzen bzw. bei einer vollflächig spritzbeschichteten Laufbahn eines Zylinders eine lediglich partielle Spurlegung des Lasers bzw. Laserstrahles erfolgt, wobei die Spur analog der oben bzgl. der Plasmabeschichtung erläuterten Muster ausgebildet ist. Hierzu läuft der Laser beispielsweise ständig bei der Spritzbeschichtung mit, wird jedoch nur partiell eingeschaltet, so daß sich ein gewünschtes Muster ergibt. The above description of a preferred embodiment is to be understood merely as an example to explain the invention. An alternative and particularly preferred embodiment of the invention is to combine thermal spraying and laser surface treatment in such a way that when the coating material 16 is applied over the entire surface by means of thermal spraying or when the cylinder surface is spray-coated over its entire surface, the laser or laser beam is only partially tracked, whereby the track is designed analogously to the pattern explained above with regard to the plasma coating. For this purpose, the laser runs continuously during the spray coating, for example, but is only partially switched on, so that a desired pattern is obtained.

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E PAT EN TA NSPRÜ CHE
1. Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils mit einem durch thermisches Spritzen erzeugten Teilchenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise in einem vorbestimmten Muster überstreicht.1. A method for processing a surface of a component with a particle beam generated by thermal spraying, characterized in that the particle beam covers the surface of the component to be processed at least partially in a predetermined pattern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzen mittels Flammspritzen, Plasmaspritzen mit einem Plasmastrahl oder HV-Spritzen durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the thermal spraying is carried out by means of flame spraying, plasma spraying with a plasma jet or HV spraying.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Muster wenigstens eine, insbesondere zwei gegensinnige oder mehr spiralartige Überstreichungen der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer vorbestimmten Steigung umfaßt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the predetermined pattern comprises at least one, in particular two opposite or more spiral-like sweeps of the surface to be processed with a predetermined slope.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung einen Winkel α im Bereich von 1° bis 90° umfaßt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the slope comprises an angle α in the range of 1 ° to 90 °.
5. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist und die Überstreichung in einem vorbestimmten Muster in einem Bereich zwischen einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens durchgeführt wird. 5. The method according to any preceding claim, characterized in that the surface to be machined is a cylinder tread for a piston in a cylinder of a crankcase of an internal combustion engine and the sweep is carried out in a predetermined pattern in a range between an upper and lower dead center of the piston.
6. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster eine linienförmige, winkelförmige, kreuzweise und/oder punktförmige Überstreichung der zu bearbeitenden Oberfläche umfaßt.6. The method according to any preceding claim, characterized in that the pattern comprises a linear, angular, crosswise and / or punctiform sweep of the surface to be processed.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise vollflächig überstreicht.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plasma jet covers the surface of the component to be machined at least partially over the entire surface.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist und die vollflächige Überstreichung in einem Bereich des oberen und/oder unteren Totpunktes des Kolbens durchgeführt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in a cylinder of a crankcase of an internal combustion engine and the full surface sweep is carried out in a region of the top and / or bottom dead center of the piston.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vollflächige Überstreichung wenigstens in einer Höhe durchgeführt wird, welche einer Breite eines Kolbenringpaketes des Kolbens entspricht.9. The method according to claim 8, characterized in that the full area sweep is carried out at least at a height which corresponds to a width of a piston ring packet of the piston.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vollflächige Überstreichung die Breite des Kolbenringpaketes um 12% eines Kolbenhubes, beispielsweise um ca. 5 mm, überragt.10. The method according to claim 9, characterized in that the full area sweeping over the width of the piston ring package by 12% of a piston stroke, for example by about 5 mm.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstoff des Bauteiles unmittelbar vor dem Ort des Auftreffens, am Ort des Auftreffens und/oder nach dem Ort des Auftreffens des Teilchenstrahles mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a material of the component is melted with a laser beam immediately before the point of impact, at the point of impact and / or after the point of impact of the particle beam.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen mit dem Laserstrahl in einem vorbestimmten Muster erfolgt.12. The method according to claim 11, characterized in that the melting with the laser beam takes place in a predetermined pattern.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Aufschmelzen des Werkstoffes des Bauteiles ein Schmelzbad ausgebildet wird.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that a melting bath is formed with the melting of the material of the component.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben- Brennkraftmaschinen ist, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Beschichtung durchgeführt wird.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the component is a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, on the cylinder running surfaces of which the coating is carried out.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bearbeitung ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt wird.15. The method according to claim 14, characterized in that a water medium of the crankcase with a cooling medium, in particular gas, nitrogen or a cooling liquid, is flowed through during processing.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Teilchenstrahles ein pulverförmiger Werkstoff, Insbesondere Silizium oder eine Silizium-Legierung, auf den Werkstoff des Bauteils aufgetragen wird.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a powdery material, in particular silicon or a silicon alloy, is applied to the material of the component by means of the particle beam.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus Aluminium gefertigt ist.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the component is made of aluminum.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Bearbeitung der Oberfläche eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere in Form einer thermischen Spritzschicht, auf der Oberfläche des Bauteiles ausgebildet wird.18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that with the processing of the surface a wear-resistant surface, in particular in the form of a thermal spray layer, is formed on the surface of the component.
19. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sich an den thermischen Spritzvorgang ein Honen der beschichteten Oberfläche anschließt. 19. The method according to claim 1, characterized in that the thermal spraying process is followed by honing the coated surface.
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