EP1921177A2 - Erzeugung von Verschleissschutzschichten auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen mittels Laserbehandlung - Google Patents

Erzeugung von Verschleissschutzschichten auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen mittels Laserbehandlung Download PDF

Info

Publication number
EP1921177A2
EP1921177A2 EP07019137A EP07019137A EP1921177A2 EP 1921177 A2 EP1921177 A2 EP 1921177A2 EP 07019137 A EP07019137 A EP 07019137A EP 07019137 A EP07019137 A EP 07019137A EP 1921177 A2 EP1921177 A2 EP 1921177A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
aluminum
laser
oxygen
oxide layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07019137A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1921177A3 (de
Inventor
Peter Prof. Dr. rer. nat. habil. Kurze
Hermann H. Dr. Urlberger
Jürgen Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aalberts Surface Technologies GmbH Kerpen
Original Assignee
AHC Oberflaechenechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AHC Oberflaechenechnik GmbH filed Critical AHC Oberflaechenechnik GmbH
Publication of EP1921177A2 publication Critical patent/EP1921177A2/de
Publication of EP1921177A3 publication Critical patent/EP1921177A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10—Oxidising
    • 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
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • 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
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/048—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material with layers graded in composition or physical properties

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing wear protection layers on materials of barrier layer-forming metals, in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, by means of laser treatment and the application of this method as well as the materials produced in this way provided with wear protection layers.
  • wear protection layers on materials of barrier layer-forming metals such as aluminum, magnesium and titanium and their alloys
  • ANOF process anodic oxidation under spark or arc discharge
  • aqueous or aqueous-organic electrolyte solutions wear protection layers with excellent properties.
  • Such a method is for example in the EP 0 545 230 B 1 described. Disadvantage of this method is that they work electrolytically and therefore use electrolyte baths, which must then be disposed of. Also, the produced layers must be cleaned after their preparation of unwanted constituents of the electrolyte bath. Therefore, there is an increasing desire to produce such wear protection layers in other ways.
  • Another possibility of surface refinement by means of laser treatment is to produce by the laser treatment oxide ceramic protective layers on aluminum materials, wherein hard material particles such. As alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), etc., are melted onto the surface of the aluminum material (see. Lasers and Optoelectronics, 29 (4), pages 48 to 52, 1997 ).
  • the disadvantage of this fundamental possibility to melt solids by laser and apply to the relevant material surfaces, is that these particles can not be uniformly applied to the surface of the material. Especially with complicated shaped components, a uniform coating can not be realized.
  • a poor adhesion of the molten particles is often observed with respect to the material surface, which often has the cause in an already existing oxide layer on the workpiece to be treated.
  • the problem underlying the present invention is therefore the provision of a method for producing wear protection layers on materials of barrier layer-forming metals, in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, which at least largely avoids or at least mitigates the previously described disadvantages of the prior art ,
  • the present invention proposes a method according to claim 1 according to a first aspect of the present invention. Further, particularly advantageous embodiments of the method according to the invention are the subject of the method subclaims.
  • the Applicant has now surprisingly found that the above-described problem can be solved by that the material surfaces of materials based on barrier layer-forming metals such as aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, in the presence of an oxygen-containing atmosphere of a laser treatment or Laser irradiation in the form of a laser oxidation treatment exposes such that the upper or outer layer of the material surface is reacted with the oxygen to form an oxide of the material metal, while the underlying layer of the material is remelted without reaction with the oxygen.
  • barrier layer-forming metals such as aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures
  • Another object of the present invention is - according to a second aspect of the present invention - the inventive application of the method according to the present invention, as defined in claims 17 to 19.
  • present invention - according to a further, third aspect of the present invention - the obtainable by the process according to the invention materials according to the present invention, which are provided with a wear protection layer of the aforementioned type and as defined in claims 20 to 22.
  • the present invention is thus - according to a first aspect of the present invention - a method for producing wear protection layers on materials of barrier layer-forming metals, in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, preferably aluminum or its alloys, by means of laser treatment, wherein the Material surface in the presence of an oxygen-containing atmosphere is exposed to a laser irradiation such that the upper or outer layer of the material surface with the oxygen of the oxygen-containing atmosphere to an oxide of the Maschinenstoffinetalls, preferably alumina, reacted or reacted and the underlying layer of the material without reacting with the oxygen is remelted.
  • the laser treatment according to the invention or laser oxidation results in wear protection layers having excellent wear protection properties, in particular excellent corrosion resistance and excellent abrasion resistance and extreme hardness, the wear protection layers - unlike the prior art aluminum nitride layers - having no brittleness and hardness due to a hardness gradient within the layer structure (Vickers hardness) of the layers or the layer structure gradually decreases from outside to inside - has excellent mechanical properties, especially at punctual Loading the surface does not tend to a so-called "eggshell effect".
  • the layers produced according to the invention have comparable or in some cases improved properties compared to wear protection layers produced by conventional electrolytic processes, the disadvantages of which are avoided in an efficient manner, in particular by avoiding the use of electrolyte baths.
  • the actual wear protection layer as such generally comprises a two-layer structure, this the upper or outer oxide layer of the material metal and adjacent to the upper or outer oxide layer lying below this oxide layer of the remelted material ("remelting layer"), below which the adjoining, unaltered (i.e., unreacted and not remelted) layer of the material is arranged.
  • remelting layer the remelted material
  • the outer layer ie, the oxide layer of the material metal
  • the outer layer has the highest hardness (Vickers hardness), the underlying remelting a lower compared to this hardness (Vickers hardness) and in turn arranged below this layer of the base material, the lowest hardness (Vickers hardness ) on.
  • Vickers hardness the lowest hardness
  • a multilayer structure with the aforementioned hardness gradient results, which leads to excellent mechanical properties.
  • the material metal used in particular is aluminum or an aluminum alloy, so that the upper, outer layer of the laser treatment or laser oxidation according to the invention results in an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer).
  • the material according to the invention may be, for example, a diecasting or casting, in particular an aluminum die cast or cast aluminum.
  • it may be a coarse-grained pressure casting or casting, in particular die-cast aluminum or cast aluminum, which may optionally before the generation of the wear protection layer by the laser treatment according to the invention remelting, in particular equally by laser treatment, as previously described, may have been subjected, this pretreatment optional is.
  • wrought alloys in particular aluminum wrought alloys, can also be subjected to the treatment according to the invention.
  • the aforementioned examples of materials used are not limiting in nature.
  • a laser having a wavelength in the range from 700 to 1200 nm, in particular 800 to 1100 nm, is used for the laser treatment according to the invention.
  • both pulsed and non-pulsed lasers can be used for the laser treatment or laser oxidation according to the invention.
  • the pulse duration (FWHM) is selected in particular in the range from 10 -7 s to 10 -2 s, in particular at about 10 -3 s; Over the pulse duration of the laser, the layer thickness of the wear protection layer can be controlled specifically.
  • a non-pulsed diode laser or an Nd: YAG laser in particular each having a wavelength in the range from 800 to 1100 nm, can be used as the laser in the context of the method according to the invention.
  • the laser treatment is carried out in such a way, in particular the laser radiation applied or radiated energy such that the reaction temperature T reaction at the material surface is at least 1000 ° C (T reaction ⁇ 1000 ° C).
  • the power density of the laser used can vary widely.
  • the power density of the laser used for example, in the range of 10 4 to 10 8 W / cm 2 , in particular in the range of 10 5 to 10 7 W / cm 2 , preferably with about 10 6 W / cm 2 , are selected. Nevertheless, it may be necessary on a case-by-case or application-related basis to deviate from the aforementioned values without departing from the scope of the present invention.
  • the laser treatment or laser oxidation according to the invention is carried out in an oxygen-containing atmosphere.
  • the oxygen-containing atmosphere can either comprise or consist of pure oxygen or comprise or consist of a gas mixture of oxygen with at least one further, inert under reaction conditions, inert gas, preferably a noble gas. So that no nitrides, in particular aluminum nitride, can be formed in the laser treatment or laser oxidation according to the invention, the oxygen-containing atmosphere contains no nitrogen and / or no gas generating nitrogen under reaction conditions.
  • the process according to the invention is carried out under atmospheric pressure. Nevertheless, it is not excluded to carry out the process under reduced or elevated pressure, although the implementation of the process under atmospheric pressure is preferred.
  • Wear protection layers produced by the process according to the invention generally have total thicknesses of 50 to 350 ⁇ m, in particular 75 to 300 ⁇ m, preferably 100 to 250 ⁇ m. These thicknesses generally include the upper or outer oxide layer and the underlying remelt layer.
  • the upper or outer layer which in the case of aluminum or aluminum alloys is an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer), optionally with further constituents (eg SiO 2 or mullite in the case of silicon-containing aluminum alloys), so their layer thickness is generally 1 to 50 .mu.m, in particular 2 to 30 .mu.m, preferably 3 to 20 microns.
  • the upper, outer layer in particular aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer), has an extreme hardness.
  • the Vickers hardness (HV) of this upper (outer) layer is at least 1000 HV, in particular at least 1500 HV, preferably at least 2000 HV.
  • this upper, outer layer in particular aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer), is its extremely low roughness (roughness):
  • the roughness (roughness) R a of the upper, outer layer is ⁇ 0.5 ⁇ m, in particular ⁇ 0.4 ⁇ m, preferably ⁇ 0.3 ⁇ m.
  • the upper, outer layer of the wear protection layer of the invention is an aluminum oxide (Al 2 O 3 layer) and comprises at least 60%, preferably at least 80%, more preferably at least 90%, corundum ( ⁇ -Al 2 O 3 ). This explains the extreme hardness of this outer layer.
  • the upper layer may also contain up to 10%, in particular up to 20%, preferably up to 30%, of silicon dioxide (SiO 2 ), preferably in the form of mullite; this also shows a great Vickers hardness. All of the above percentages are by weight based on the weight of the upper, outer layer.
  • the remelt layer arranged under the outer oxide layer in particular Al 2 O 3 layer, this generally has a thickness in the range from 50 to 300 ⁇ m, in particular 75 to 250 ⁇ m, preferably 100 to 200 ⁇ m.
  • This remelting layer generally has a Vickers hardness (HV) which is less than the Vickers hardness (HV) of the overlying outer layer and greater than the Vickers hardness (HV) of the underlying layer of the base material.
  • HV Vickers hardness
  • the remelt layer arranged below the outer oxide layer, in particular below the outer Al 2 O 3 layer has a Vickers hardness (HV) ⁇ 150 HV, in particular ⁇ 200 HV.
  • the significantly lower Vickers hardness of the remelt layer compared to the outer oxide layer is explained by the fact that the remelt layer was formed merely by remelting of the base material but did not react with the oxygen of the laser treatment atmosphere; in turn, the greater Vickers hardness of the remelt layer compared to the underlying layer of the base material is explained by the fact that a finely dispersed or fine-grained phase or layer has been formed by the remelting process.
  • Umschmelz GmbH finely dispersed and / or fine-grained, in particular with a particle size ⁇ 1 micron, preferably ⁇ 0.5 microns.
  • the base material lying below the remelt layer is generally coarse-grained and / or coarse-disperse, in particular with a particle size of> 10 ⁇ m, preferably> 20 ⁇ m.
  • the base material disposed below the remelt layer generally has a lower Vickers hardness than the overlying remelt layer.
  • the Vickers hardness (HV) of the base layer underlying the remelt layer is up to 150 HV, and is in particular in the range of 50 to 150 HV, preferably 75 to 125 HV.
  • the process according to the present invention can be carried out in several stages: In a first process step, only a remelting of the material surface, preferably in near-surface regions, can be carried out (as described above under inert or Non-reactive conditions) and subsequently produced or applied in a second process step with the inventive method, a corundum or corundum / mullite cover layer. In this case, the two method steps can be carried out in succession. The same or different laser types can be used for the two process steps.
  • the first process step the remelting is generally carried out under inert conditions, without a chemical reaction of the material surface to an oxide layer takes place; In this regard, reference may be made to the foregoing to avoid unnecessary repetition.
  • the process of the present invention results in wear resistant coatings having excellent corrosion resistance as well as excellent abrasion resistance and extreme hardness.
  • the multilayer Gefiige which results from the laser treatment according to the invention or laser oxidation, also tends to no brittleness, so that the wear protection layers according to the invention are also suitable for components, in particular safety components, which are exposed to vibrations (eg aluminum components of internal combustion engines, such as pistons , Cylinder surfaces, valves, etc.).
  • the laser treatment can also be used if selectively only a certain area of the material or workpiece is to be oxidized from barrier layer-forming metals (eg only the annular groove of a piston for internal combustion engines).
  • barrier layer-forming metals eg only the annular groove of a piston for internal combustion engines.
  • the reaction gas oxygen or a mixture of oxygen / inert gas (nitrogen-free!) As defined above, flows.
  • the distance of the nozzle from the base of the laser beam should z. B. be at least 5 mm and is, depending on the application, for. B. maximum 30 mm.
  • the angle of incidence of the nozzle to the surface of the workpiece should be 60 ° to 95 °. If pure oxygen is used, Thus, for example, a volume flow at exit from the nozzle of 5 1 / min to 30 1 / min can be set.
  • the arrangement of the use of a nozzle for the laser oxidation according to the invention can be used for example for the machining of grooves, such as the annular groove of an aluminum engine piston, or bores.
  • the laser oxidation according to the invention it is possible, for example, the annular groove of an aluminum piston of G-AlSi12MgCuNi with a wear protection layer mainly of corundum with a hardness of the upper layer of up to about 2,000 HV and more and a layer thickness of the upper layer of up to 15 microns and more and a roughness R a of 0.4 to 0.5 microns and an unmelted, underlying layer with a hardness of 150 to 200 HV manufacture.
  • the aluminum engine piston to be coated can be rotated in a clamping device and the laser can be directed to the annular groove of the piston with the parameters described above. It is alternatively also possible to move the laser and to fix the tool or the material on which the wear protection layer is to be attached.
  • the laser treatment produces very high temperatures above 1000 ° C on the treated material surface, so that the barrier layer-forming metal is melted and the upper layer reacts with the oxygen to the corresponding oxide, whereas the underlying layer is merely melted without reacting with the oxygen to be able to.
  • the upper, outer layer of alumina (Al 2 O 3 ) in the modification corundum comprises at least 60% (see above). Vickers hardnesses of up to about 2000 HV (0.1) and more are determined. This high hardness is due to the fact that preferably corundum is formed as a high-temperature form of the aluminum oxide. X-ray measurements have shown that the corundum content varies in the range of 60% to 90% and in particular depends on the registered temperature and / or the exposure time of the laser.
  • Al alloys with high levels of silicon such as.
  • GD-AlSi12, GD-AlSi9Cu3, G-AlSi12MgCuNi, ADC 12, etc. formed in addition to corundum ( ⁇ -Al 2 O 3 ) and mullite (SiO 2 ), which is equally very hard;
  • Vickers hardnesses of up to approx. 1900 HV (0.1) and more are measured. From X-ray measurements it was found that the proportion of mullite (SiO 2 ) z. B. when using the alloy GD-AlSi12 in the corundum matrix is up to 30%.
  • the upper layer has low roughness or roughness R a .
  • the corundum layer typically has a roughness R a of approximately 0.3 to 0.5 ⁇ m and a layer thickness of typically 1 to 50 ⁇ m, in particular 2 to 30 ⁇ m, preferably 3 to 20 ⁇ m.
  • the remelted layer has a Vickers hardness, depending on the alloy used, of typically 150 to 200 HV (in comparison thereto, coarse Al casting or Al die casting has Vickers hardnesses of only 60 to 80 HV), is finely dispersed or fine-grained and in particular has particle sizes of less than 1 .mu.m, preferably less than 0.5 microns.
  • Fig. 1 the basic structure of the layer system described above is illustrated.
  • SEM image according to FIG. 2 this multilayer structure of layers is shown in section.
  • the method according to the invention can be used universally and tailored to the specific applications.
  • Another object - according to a second aspect of the present invention - is thus the application of the method according to the invention, as described in claims 17 to 19.
  • the method according to the invention for example, for the production of wear protection layers on products of mechanical engineering, in particular of the automotive industry, apply, for example, for components of internal combustion engines, such.
  • components of internal combustion engines such as cylinders, cylinder liners, pistons, camshafts, bucket tappets, valves, bearings on connecting rods, etc.
  • the method according to the invention can be used, for example, for producing wear protection layers on pistons of internal combustion engines, in particular for their at least partial coating, preferably at least in the area of the upper or uppermost annular groove of the pistons.
  • the method according to the invention can also be used, for example, for the production of wear-resistant coatings on products of medicine and medical technology.
  • the present invention - according to a third aspect of the present invention - materials of barrier layer-forming metals, in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, preferably aluminum or its alloys, whose surfaces are provided with wear protection layers, as described previously described inventive method are available.
  • barrier layer-forming metals in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, preferably aluminum or its alloys, whose surfaces are provided with wear protection layers, as described previously described inventive method are available.
  • the present invention materials of barrier layer-forming metals, in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, preferably aluminum or its alloys, the surface is provided with a generated by laser treatment in the presence of an oxygen-containing atmosphere wear protection layer, wherein the upper, outer layer of the material surface comprises an oxide layer of the material metal, preferably aluminum oxide, and the underlying layer comprises an unreacted, remelted layer of the material.
  • barrier layer-forming metals in particular aluminum, magnesium and titanium and their alloys and mixtures, preferably aluminum or its alloys
  • the surface is provided with a generated by laser treatment in the presence of an oxygen-containing atmosphere wear protection layer, wherein the upper, outer layer of the material surface comprises an oxide layer of the material metal, preferably aluminum oxide, and the underlying layer comprises an unreacted, remelted layer of the material.
  • the anti-wear layer produced according to the present invention is generally a multilayered, especially a two-layer, layered layer comprising the upper, outer oxide layer of the material metal and the layer of the remelted material ("remelt layer") adjacent to the upper, outer oxide layer and underlying the oxide layer. below which then the adjoining unreacted or unchanged layer of the material is arranged.
  • the underlying material 3 consists of a coarse-grained or coarse-disperse phase on which the finely dispersed or coarse-disperse phase .
  • Fine-grained Umschmelz Anlagen 2 is arranged, on which in turn the oxide layer 1 of the material metal is applied.
  • a cylinder of G-AlSi12MgCuNi with a diameter of 40 mm and a length of 60 mm is treated on the lateral surface with an Nd: YAG laser (wavelength: 1,064 nm).
  • the power density at the base of the laser beam is set at 10 6 W / cm 2 .
  • the cylinder is clamped in a device and rotated at 6 rpm.
  • the lateral surface of the cylinder is scanned systematically with rotation of the cylinder and simultaneous axial feed of the laser, wherein the degree of overlap of the laser tracks is 30%.
  • the oxygen supply (atmosphere: pure oxygen) takes place via a nozzle coaxial with the laser beam at an angle of 60 °.
  • the distance of the nozzle from the base of the incident laser beam is 20 mm.
  • the gas used is pure oxygen at a flow rate of 15 l / min.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, wie insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, mittels Laserbehandlung, wobei die Werkstoffoberfläche in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre einer Laserbestrahlung ausgesetzt wird derart, daß die obere bzw. äußere Schicht der Werkstoffoberfläche mit dem Sauerstoff zu einem Oxid des Werkstoffmetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid, reagiert und die darunterliegende Schicht des Werkstoffs ohne mit der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zu reagieren umgeschmolzen wird. Es resultiert ein mehrschichtiges Gefüge mit ausgezeichneten Verschleißschutzeigenschaften, insbesondere exzellenter Korrosionsbeständigkeit sowie ausgezeichneter Abriebfestigkeit und extremer Härte, welches infolge eines Härtegradienten innerhalb des Schichtengefüges keine Sprödigkeit aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, wie insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, mittels Laserbehandlung und die Anwendung dieses Verfahrens sowie die auf diese Weise erzeugten, mit Verschleißschutzschichten versehenen Werkstoffe.
  • Die Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, wie Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen, unter elektrolytischen Bedingungen ist bekannt: So lassen sich mit der sogenannten anodischen Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung (sogenanntes ANOF-Verfahren) in geeigneten, üblicherweise wäßrigen oder wäßrig-organischen Elektrolytlösungen Verschleißschutzschichten mit exzellenten Eigenschaften erhalten. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 545 230 B 1 beschrieben. Nachteil dieser Verfahren ist, daß diese elektrolytisch arbeiten und daher Elektrolytbäder verwenden, welche anschließend entsorgt werden müssen. Auch müssen die erzeugten Schichten nach ihrer Herstellung von unerwünschten Bestandteilen des Elektrolytbades gesäubert werden. Daher besteht zunehmend ein Bestreben dahingehend, derartige Verschleißschutzschichten auf andere Weise zu erzeugen.
  • Allein die Vielzahl der Applikationen des Oberflächenveredelns im Automobilbau und anderen Bereichen, insbesondere im Bereich des Maschinenbaus, zeigt den Bedarf an Technologien, welche die gesteigerten Anforderungen an die Funktionalität der Bauteile erfüllen. Laserverfahren bieten hier neue Ansätze zur Verbesserung der Qualität der Bauteile. Verschleißschutzschichten haben aber eine vorrangige Rolle zu erfüllen. Grundsätzlich eröffnet der Einsatz von Lasern für die Oberflächenbehandlung neue umweltfreundliche Technologien, insbesondere da diese ohne Elektrolytbäder auskommen.
  • In der DE 102 02 184 C1 und der Zeitschrift HTM 52 (1997) 2, Seiten 91 bis 93 (J. Barnikel et al. "Nitrieren von Aluminiumlegierungen mit UV-Laserstrahlung") werden Ausführungen zum Lasernitrieren von Aluminiumoberflächen gemacht.
  • So beschreibt die DE 102 02 184 C1 ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten in oberflächennahen Bereichen von Bauteilen, insbesondere Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, aus einem Aluminiumbasisverbundwerkstoff, wobei zumindest Teile der Oberfläche der Bauteile eine Härtung erfahren haben und die Verschleißschutzschicht aus Aluminiumnitriden in einer Aluminiummatrix gebildet wird, wobei die Verschleißschutzschicht mittels einer Lasernitrierbehandlung erzeugt wird, wobei Energie impulsförmig in die Oberfläche eingebracht wird, so daß sich in den oberflächennahen Bereichen eine Umschmelzschicht bildet und es dabei zu einer Umsetzung von Stickstoff aus einer Stickstoffatmosphäre oder aus der Luft mit Aluminium aus dem Verbundwerkstoff kommt derart, daß die Aluminiumnitride in der Umschmelzschicht feindispers und gradiert vorliegen.
  • Das auf diese Weise gebildete Aluminiumnitrid (AIN) ist zwar sehr hart (ca. 1.230 HV = Vickers-Härte), ist aber auch sehr spröde. Es neigt daher zur Rißbildung und ist somit für viele Anwendungen, insbesondere im Automobilbau, nicht brauchbar. Insbesondere Sicherheitsbauteile, die Schwingungen ausgesetzt sind, wie z. B. Aluminiumbauteile für Verbrennungsmotoren, wie insbesondere Kolben, Zylinderlaufflächen, Ventile und dergleichen, sind stark gefährdet, wenn sie mit einer derartigen Aluminiumnitridschicht versehen sind. Der Einsatz solcher mit Aluminiumnitridschichten versehenen Bauteile kann im Betriebszustand den gesamten Motor zum Ausfall bringen. Auch ist die Schichtdicke der hergestellten Aluminiumnitridschicht relativ gering. Zudem tritt bei einer punktuellen Belastung der Oberfläche ein sogenannter "Eierschaleneffekt" auf: Es kommt zu einer plastischen Verformung des Grundmaterials, was die Ursache für die nachfolgende Rißbildung ist.
  • Auch die technische Lehre der DE 102 02 184 C1 löst die vorgenannten Nachteile nicht, selbst wenn die Energie des Lasers in einer Stickstoffatmosphäre impulsartig auf die Aluminiumoberfläche aufgebracht wird und sich das Aluminiumnitrid feindispers bildet.
  • Eine weitere Möglichkeit der Oberflächenveredelung mittels Laserbehandlung besteht darin, durch die Laserbehandlung oxidkeramische Schutzschichten auf Aluminiumwerkstoffen herzustellen, wobei Hartstoffpartikel, wie z. B. Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2) etc., auf die Oberfläche des Aluminiumwerkstoffes aufgeschmolzen werden (vgl. Laser und Optoelektronik, 29 (4), Seiten 48 bis 52, 1997). Der Nachteil dieser grundsätzlichen Möglichkeit, Feststoffe durch Laser aufzuschmelzen und auf die betreffenden Werkstoffoberflächen aufzubringen, besteht darin, daß diese Partikel sich nicht gleichmäßig auf die Werkstoffoberfläche aufbringen lassen. Insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen ist eine gleichmäßige Beschichtung nicht zu realisieren. Außerdem wird oftmals eine schlechte Haftung der aufgeschmolzenen Partikel in bezug auf die Werkstoffoberfläche beobachtet, was oftmals die Ursache in einer bereits vorhandenen Oxidschicht auf dem zu behandelnden Werkstück hat.
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, welches die zuvor geschilderten Nachteile des Standes der Technik zumindest weitgehend vermeidet oder aber wenigstens abschwächt.
  • Zur Lösung des zuvor geschilderten Problems schlägt die vorliegende Erfindung - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Verfahren nach Anspruch 1 vor. Weitere, insbesondere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Verfahrensunteransprüche.
  • Denn die Anmelderin hat nun überraschenderweise herausgefunden, daß das zuvor geschilderte Problem dadurch gelöst werden kann, daß man die Werkstoffoberflächen von Werkstoffen auf Basis sperrschichtbildender Metalle, wie Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre einer Laserbehandlung bzw. Laserbestrahlung in Form einer Laseroxidationsbehandlung aussetzt derart, daß die obere bzw. äußere Schicht der Werkstoffoberfläche mit dem Sauerstoff zu einem Oxid des Werkstoffmetalls umgesetzt wird, während die darunterliegende Schicht des Werkstoffs ohne Reaktion mit dem Sauerstoff umgeschmolzen wird.
  • Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - die erfindungsgemäße Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 17 bis 19 definiert ist.
  • Schließlich sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem weiteren, dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung - die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Werkstoffe nach der vorliegenden Erfindung, welche mit einer Verschleißschutzschicht der vorgenannten Art versehen sind und wie sie in den Ansprüchen 20 bis 22 definiert sind.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, mittels Laserbehandlung, wobei die Werkstoffoberfläche in Gegenwart einer sauerstoff haltigen Atmosphäre einer Laserbestrahlung ausgesetzt wird derart, daß die obere bzw. äußere Schicht der Werkstoffoberfläche mit dem Sauerstoff der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zu einem Oxid des Werkstoffinetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid, reagiert bzw. umgesetzt wird und die darunterliegende Schicht des Werkstoffs ohne mit dem Sauerstoff zu reagieren umgeschmolzen wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Laserbehandlung bzw. Laseroxidation resultieren Verschleißschutzschichten mit ausgezeichneten Verschleißschutzeigenschaften, insbesondere mit exzellenter Korrosionsbeständigkeit sowie ausgezeichneter Abriebfestigkeit und extremer Härte, wobei die Verschleißschutzschichten - im Unterschied zu Aluminiumnitridschichten des Standes der Technik - keinerlei Sprödigkeit aufweisen und infolge eines Härtegradienten innerhalb des Schichtengefüges - die Härte (Vickers-Härte) der Schichten bzw. des Schichtengefüges nimmt von außen nach innen graduell ab - ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist, insbesondere bei punktueller Belastung der Oberfläche nicht zu einem sogenannten "Eierschaleneffekt" neigt.
  • Die erfindungsgemäß erzeugten Schichten weisen vergleichbare oder zum Teil verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu nach herkömmlichen Elektrolytverfahren hergestellten Verschleißschutzschichten auf, wobei deren Nachteile in effizienter Weise vermieden werden, insbesondere durch die Vermeidung der Verwendung von Elektrolytbädern.
  • Bei der erfindungsgemäß durchgeführten Laserbehandlung bzw. Laseroxidation resultiert ein Mehrschichtengefüge: Die eigentliche Verschleißschutzschicht als solche umfaßt im allgemeinen ein zweischichtiges Schichtengefüge, wobei dieses die obere bzw. äußere Oxidschicht des Werkstoffmetalls und die an die obere bzw. äußere Oxidschicht angrenzende, unter dieser Oxidschicht liegende Schicht des umgeschmolzenen Werkstoffs ("Umschmelzschicht") umfaßt, unterhalb derer dann die hieran angrenzende, unveränderte (d h. unreagierte und nicht umgeschmolzene) Schicht des Werkstoffs angeordnet ist. Insgesamt resultiert also ein Mehrschichtengefüge, welches - von außen nach innen bzw. von oben nach unten betrachtet - die obere, äußere Oxidschicht des Werkstoffinetalls, die hierunter angeordnete Umschmelzschicht und die wiederum hierunter angeordnete Schicht des Grundwerkstoffs, welche unreagiert und nicht umgeschmolzen ist, umfaßt. Dabei weist die äußere Schicht (d. h. die Oxidschicht des Werkstoffmetalls) die größte Härte (Vickers-Härte), die darunterliegende Umschmelzschicht eine im Vergleich hierzu geringere Härte (Vickers-Härte) und die wiederum hierunter angeordnete Schicht des Grundwerkstoffs die geringste Härte (Vickers-Härte) auf. Es entsteht gewünschtermaßen ein Mehrschichtengefüge mit dem vorgenannten Härtegradienten, der zu exzellenten mechanischen Eigenschaften führt.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, daß die Werkstoffoberfläche vor der Erzeugung der Verschleißschutzschicht (d. h. vor der erfindungsgemäßen Laserbehandlung bzw. Laseroxidation) einem Umschmelzen, insbesondere gleichermaßen mittels Laserbehandlung, bevorzugt unter inerten Bedingungen, unterzogen wird. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, daß bei dieser Vorbehandlung keine Oxidation der Werkstoffoberfläche stattfindet. Dies wird dadurch erreicht, daß unter inerten Bedingungen, insbesondere unter Inertgasatmosphäre, vorzugsweise unter Edelgasatmosphäre, und unterhalb der Reaktionstemperaturen der Werkstoffoberfläche, im allgemeinen unterhalb von Temperaturen von 1.000 °C der Werkstoffoberfläche, gearbeitet wird. Dieser vorangehende Verfahrensschritt des Umschmelzens ist aber rein fakultativer Natur.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Werkstoffmetall insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt, so daß als obere, äußere Schicht der erfindungsgemäßen Laserbehandlung bzw. Laseroxidation eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht) resultiert. Bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff kann es sich beispielsweise um einen Druckguß oder Guß, insbesondere einen Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, handeln. Insbesondere kann es sich um einen grobkörnigen Druckguß oder Guß, insbesondere Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, handeln, der gegebenenfalls vor der Erzeugung der Verschleißschutzschicht durch die erfindungsgemäße Laserbehandlung einem Umschmelzen, insbesondere gleichermaßen mittels Laserbehandlung, wie zuvor beschrieben, unterzogen worden sein kann, wobei diese Vorbehandlung optional ist. Anstelle von Druckguß- oder Gußlegierungen können auch Knetlegierungen, insbesondere Aluminiumknetlegierungen, der erfindungsgemäßen Behandlung unterzogen werden. Die vorgenannten Beispiele für eingesetzte Werkstoffe sind jedoch nicht beschränkender Natur.
  • Grundsätzlich wird für die erfindungsgemäße Laserbehandlung ein Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1.200 nm, insbesondere 800 bis 1.100 nm, eingesetzt.
  • Grundsätzlich können für die erfindungsgemäße Laserbehandlung bzw. Laseroxidation sowohl gepulste als auch nichtgepulste Laser eingesetzt werden. Im Falle des Einsatzes von gepulsten Lasern wird die Pulsdauer (FWHM) insbesondere im Bereich von 10-7 s bis 10-2 s, insbesondere mit etwa 10-3 s, gewählt; über die Pulsdauer des Lasers kann die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht gezielt gesteuert werden.
  • Beispielsweise kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als Laser ein nichtgepulster Diodenlaser oder ein Nd:YAG-Laser, insbesondere jeweils mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1.100 nm, eingesetzt werden.
  • Im allgemeinen wird die Laserbehandlung derart durchgeführt, insbesondere die mittels Laserbestrahlung einwirkende bzw. eingestrahlte Energie derart bemessen, daß die Reaktionstemperatur TReaktion an der Werkstoffoberfläche mindestens 1.000 °C beträgt (TReaktion ≥ 1.000 °C).
  • Im allgemeinen kann die eingesetzte Leistungsdichte des Lasers in weiten Bereichen variieren. So kann die eingesetzte Leistungsdichte des Lasers beispielsweise im Bereich von 104 bis 108 W/cm2, insbesondere im Bereich von 105 bis 107 W/cm2, vorzugsweise mit etwa 106 W/cm2, gewählt werden. Dennoch kann es einzelfallbedingt oder anwendungsbezogen erforderlich sein, von den vorgenannten Werten abzuweichen, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen ist.
  • Wie zuvor beschrieben, wird die erfindungsgemäße Laserbehandlung bzw. Laseroxidation in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Die sauerstoffhaltige Atmosphäre kann entweder reinen Sauerstoff umfassen bzw. hieraus bestehen oder ein Gasgemisch aus Sauerstoff mit mindestens einem weiteren, unter Reaktionsbedingungen nichtreaktiven, inerten Gas, vorzugsweise einem Edelgas, umfassen bzw. hieraus bestehen. Damit bei der erfindungsgemäßen Laserbehandlung bzw. Laseroxidation keine Nitride, insbesondere kein Aluminiumnitrid, gebildet werden kann, enthält die sauerstoffhaltige Atmosphäre keinen Stickstoff und/oder kein unter Reaktionsbedingungen Stickstoff generierendes Gas.
  • Im allgemeinen wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Atmosphärendruck durchgeführt. Dennoch ist es nicht ausgeschlossen, das Verfahren unter reduziertem oder erhöhtem Druck durchzuführen, wenn auch die Durchfiihrung des Verfahrens unter Atmosphärendruck bevorzugt ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Verschleißschutzschichten weisen im allgemeinen Gesamtdicken von 50 bis 350 µm, insbesondere 75 bis 300 µm, vorzugsweise 100 bis 250 µm, auf. Diese Dicken umfassen im allgemeinen die obere bzw. äußere Oxidschicht sowie die darunterliegende Umschmelzschicht.
  • Was die obere bzw. äußere Schicht anbelangt, welche im Fall von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht), gegebenenfalls mit weiteren Bestandteilen (z. B. SiO2 bzw. Mullit im Fall siliziumhaltiger Aluminiumlegierungen), ist, so beträgt deren Schichtdicke im allgemeinen 1 bis 50 µm, insbesondere 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm.
  • Die obere, äußere Schicht, insbesondere Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht), weist eine extreme Härte auf. Die Vickers-Härte (HV) dieser oberen (äußeren) Schicht beträgt mindestens 1.000 HV, insbesondere mindestens 1.500 HV, vorzugsweise mindestens 2.000 HV.
  • Ein weiteres, besonderes Merkmal dieser oberen, äußeren Schicht, insbesondere Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht), ist ihre extrem geringe Rauheit (Rauhtiefe): Im allgemeinen beträgt die Rauheit (Rauhtiefe) Ra der oberen, äußeren Schicht ≤ 0,5 µm, insbesondere ≤ 0,4 µm, vorzugsweise ≤ 0,3 µm. Damit sind die erfindungsgemäß erzeugten Verschleißschutzschichten auch für solche Anwendungen geeignet, bei denen höchste Anforderungen an die Maßhaltigkeit und die Ebenheit der Schichten gestellt sind.
  • Für den Fall, daß der Werkstoff aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, ist die obere, äußere Schicht der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht) und umfaßt zu mindestens 60 %, vorzugsweise zu mindestens 80 %, besonders bevorzugt zu mindestens 90 %, Korund (α-Al2O3). Dies erklärt die extreme Härte dieser äußeren Schicht. Im Fall von siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen kann die obere Schicht außerdem bis zu 10 %, insbesondere bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 30 %, Siliziumdioxid (SiO2), vorzugsweise in Form von Mullit, enthalten; dieses zeigt gleichermaßen eine große Vickers-Härte. Alle vorgenannten Prozentangaben sind Gewichtsprozentangaben mit Bezug auf das Gewicht der oberen, äußeren Schicht.
  • Was die unter der äußeren Oxidschicht, insbesondere Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht anbelangt, so weist diese im allgemeinen eine Dicke im Bereich von 50 bis 300 µm, insbesondere 75 bis 250 µm, vorzugsweise 100 bis 200 µm, auf.
  • Diese Umschmelzschicht weist im allgemeinen eine Vickers-Härte (HV) auf, die kleiner als die Vickers-Härte (HV) der darüberliegenden äußeren Schicht und größer als die Vickers-Härte (HV) der unterliegenden Schicht des Grundwerkstoffs ist. Im allgemeinen weist die unter der äußeren Oxidschicht, insbesondere unter der äußeren Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht eine Vickers-Härte (HV) ≥ 150 HV, insbesondere ≥ 200 HV, auf. Die gegenüber der äußeren Oxidschicht deutlich geringere Vickers-Härte der Umschmelzschicht erklärt sich dadurch, daß die Umschmelzschicht durch bloßes Umschmelzen des Grundwerkstoffs entstanden ist, jedoch nicht dem Sauerstoff der Laserbehandlungsatmosphäre reagiert hat; die im Vergleich zu der unterliegenden Schicht des Grundwerkstoffs größere Vickers-Härte der Umschmelzschicht wiederum erklärt sich dadurch, daß durch den Umschmelzvorgang eine feindispersere bzw. feinkörnerige Phase bzw. Schicht entstanden ist.
  • Denn durch den Umschmelzvorgang mittels erfindungsgemäßer Laserbehandlung bzw. Laseroxidation ist die unter der äußeren Oxidschicht, insbesondere unter der äußeren Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht feindispers und/oder feinkörnig ausgebildet, insbesondere mit einer Korngröße < 1 µm, vorzugsweise < 0,5 µm.
  • Der unter der Umschmelzschicht liegende Grundwerkstoff dagegen ist im allgemeinen grobkörnig und/oder grobdispers ausgebildet, insbesondere mit einer Korngröße > 10 µm, vorzugsweise > 20 µm.
  • Wie zuvor beschrieben, weist der unter der Umschmelzschicht angeordnete Grundwerkstoff im allgemeinen eine geringere Vickers-Härte als die darüberliegende Umschmelzschicht auf: Im allgemeinen beträgt die Vickers-Härte (HV) der unter der Umschmelzschicht liegenden Grundwerkstoffschicht bis zu 150 HV und liegt insbesondere im Bereich von 50 bis 150 HV, vorzugsweise 75 bis 125 HV.
  • Der grundsätzliche Schichtaufbau der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Verschleißschutzschichten ist in den Figurendarstellungen veranschaulicht. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Schnittdarstellung durch den Aufbau eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Mehrschichtengefüges;
    Fig. 2
    eine REM-Aufnahme eines Schnitts durch den Aufbau eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Mehrschichtengefüges.
  • Wie aus den Figurendarstellungen gemäß Fig. 1 und 2 ersichtlich, resultiert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Mehrschichtengefiige aus der eigentlichen Verschleißschutzschicht, welche im allgemeinen ein zweischichtiges Schichtgefüge umfaßt, wobei dieses die obere bzw. äußere Oxidschicht 1 des Werkstoffmetalls und die an die obere bzw. äußere Oxidschicht angrenzende, unter dieser Oxidschicht 1 liegende Schicht 2 des umgeschmolzenen Werkstoffs ("Umschmelzschicht") umfaßt, unterhalb derer dann die hieran angrenzende Schicht des Werkstoffs 3 angeordnet ist, wobei die Umschmelzschicht 2 feinkörnig bzw. feindispers ausgebildet ist, während die unreagierte Werkstoffschicht 3 dagegen grobkörnig bzw. grobdispers ausgebildet ist. Für weitergehende Einzelheiten zu den einzelnen Schichten und deren Aufbau und Zusammensetzung kann auf obige Ausführungen verwiesen werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung mehrstufig durchgeführt werden: Dabei kann zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein bloßes Umschmelzen der Werkstoffoberfläche, vorzugsweise in oberflächennahen Bereichen, durchgeführt werden (und zwar, wie zuvor beschrieben, unter inerten bzw. nichtreaktiven Bedingungen) und nachfolgend in einem zweiten Verfahrensschritt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Korund- bzw. Korund/Mullit-Deckschicht erzeugt bzw. aufgebracht werden. Dabei können die beiden Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden. Für die beiden Verfahrensschritte können gleiche oder verschiedene Lasertypen eingesetzt werden. Wie zuvor beschrieben, wird der erste Verfahrensschritt das Umschmelzen im allgemeinen unter inerten Bedingungen durchgeführt, ohne daß eine chemische Reaktion der Werkstoffoberfläche zu einer Oxidschicht stattfindet; diesbezüglich kann auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
  • Wie zuvor geschildert, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu Verschleißschutzschichten mit ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeiten sowie ausgezeichneten Abriebfestigkeiten und extremen Härten. Das mehrschichtige Gefiige, welches durch die erfindungsgemäße Laserbehandlung bzw. Laseroxidation resultiert, neigt zudem zu keinerlei Sprödigkeit, so daß die erfindungsgemäß erzeugten Verschleißschutzschichten auch für Bauteile, insbesondere Sicherheitsbauteile, geeignet sind, welche Schwingungen ausgesetzt sind (z B. Aluminiumbauteile von Verbrennungsmotoren, wie Kolben, Zylinderlaufflächen, Ventilen etc.).
  • Gemäß einer typischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wie folgt vorgegangen werden:
    • Wie zuvor beschrieben, wird erfindungsgemäß die Verschleißschutzschicht auf der Werkstoffoberfläche, insbesondere der Aluminiumoberfläche, mittels Laseroxidation in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre gebildet, wobei die obere Schicht der Werkstoffoberfläche, insbesondere in oberflächennahen Bereichen, zu einem Oxid des Werkstoffinetalls, insbesondere Aluminiumoxid, reagiert bzw. umgesetzt wird und die darunterliegende Schicht, ohne mit dem Sauerstoff zu reagieren, umgeschmolzen und neu skaliert wird.
  • Erfindungsgemäß läßt sich die Laserbehandlung auch einsetzen, wenn selektiv nur ein bestimmter Bereich des Werkstoffs bzw. Werkstückes aus sperrschichtbildenden Metallen oxidiert werden soll (z B. nur die Ringnut eines Kolbens für Verbrennungsmotoren). Dabei kann insbesondere mit einer Düse gearbeitet werden, die auf die betreffende Stelle gerichtet wird und durch die das Reaktionsgas Sauerstoff oder ein Gemisch Sauerstoff/Inertgas (stickstofffrei!), wie zuvor definiert, strömt. Der Abstand der Düse vom Fußpunkt des Laserstrahles sollte z. B. mindestens 5 mm betragen und beträgt, je nach Anwendung, z. B. maximal 30 mm. Der Einfallswinkel der Düse zur Oberfläche des Werkstückes sollte 60° bis 95° betragen. Wird reiner Sauerstoff verwendet, so kann beispielsweise ein Volumenstrom bei Austritt aus der Düse von 5 1/min bis 30 1/min eingestellt werden.
  • Die Anordnung der Verwendung einer Düse für die erfindungsgemäße Laseroxidation läßt sich beispielsweise für die Bearbeitung von Nuten, wie z B. der Ringnut eines Aluminiummotorkolbens, oder von Bohrungen einsetzen. Durch die erfindungsgemäße Laseroxidation ist es beispielsweise möglich, die Ringnut eines Aluminiumkolbens aus G-AlSi12MgCuNi mit einer Verschleißschutzschicht überwiegend aus Korund mit einer Härte der oberen Schicht von bis zu ca. 2.000 HV und mehr sowie einer Schichtdicke der oberen Schicht von bis zu 15 µm und mehr und einer Rauheit Ra von 0,4 bis 0,5 µm und einer ungeschmolzenen, darunterliegenden Schicht mit einer Härte von 150 bis 200 HV herzustellen. Zu diesem Zweck kann der zu beschichtende Aluminiummotorkolben in einer Einspannvorrichtung gedreht und der Laser auf die Ringnut des Kolbens mit den zuvor beschriebenen Parametern gerichtet werden. Es ist dabei alternativ auch möglich, den Laser zu bewegen und das Werkzeug bzw. den Werkstoff, auf dem die Verschleißschutzschicht anzubringen ist, zu fixieren. Durch die Laserbehandlung entstehen sehr hohe Temperaturen oberhalb von 1.000 °C auf der behandelten Werkstoffoberfläche, so daß das sperrschichtbildende Metall aufgeschmolzen wird und die obere Schicht mit dem Sauerstoff zu dem entsprechenden Oxid reagiert, wohingegen die darunterliegende Schicht lediglich aufgeschmolzen wird, ohne mit dem Sauerstoff reagieren zu können. Bei der Bildung von Korund (α-Al2O3) im Fall von aluminiumbasierten Werkstoffen und gegebenenfalls Mullit (SiO2) im Fall von siliziumhaltigen Legierungen ist nicht nur die Temperatur des Lasers für die Bildung der oberen Schicht entscheidend; vielmehr entsteht auch sehr hohe Wärme durch die stark exotherm ablaufende chemische Reaktion des geschmolzenen sperrschichtbildenden Metalls, wie Aluminium, Titan, Magnesium etc., mit dem Sauerstoff.
  • Im Falle von Aluminium als Grundwerkstoff umfaßt die obere, äußere Schicht Aluminiumoxid (Al2O3) in der Modifikation Korund zu mindestens 60 % (siehe obige Ausführungen). Es werden Vickers-Härten von bis zu ca. 2000 HV (0,1) und mehr bestimmt. Diese hohe Härte ist darauf zurückzuführen, daß vorzugsweise Korund als Hochtemperaturform des Aluminiumoxids entstanden ist. Röntgenographische Messungen haben ergeben, daß der Korundanteil im Bereich von 60 % bis 90 % variiert und insbesondere von der eingetragenen Temperatur und/oder der Einwirkzeit des Lasers abhängig ist.
  • Bei Al-Legierungen mit hohen Anteilen von Silizium, wie z. B. GD-AlSi12, GD-AlSi9Cu3, G-AlSi12MgCuNi, ADC 12 etc., entsteht neben Korund (α-Al2O3) auch Mullit (SiO2), welches gleichermaßen sehr hart ist; hier werden Vickers-Härten von bis zu ca. 1900 HV (0,1) und mehr gemessen. Aus röntgenographischen Messungen wurde gefunden, daß der Anteil von Mullit (SiO2)z. B. bei Einsatz der Legierung GD-AlSi12 in der Korundmatrix bis zu 30 % beträgt.
  • Die obere Schicht weist geringe Rauheiten bzw. Rauhtiefen Ra auf. Im Falle des Einsatzes von Aluminiumwerkstoffen hat die Korundschicht typischerweise eine Rauheit Ra von ca. 0,3 bis 0,5 µm und eine Schichtdicke von typischerweise 1 bis 50 µm, insbesondere 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm.
  • Sowohl die Wärme des Lasers als auch die Wärme aus der exothermen Reaktion des sperrschichtbildenden Metalls mit dem Sauerstoff verursachen einen hohen Energieeintrag in die darunterliegende Schicht des sperrschichtbildenden Metalls. Im Falle des Einsatzes von Aluminiumwerkstoffen, die ein grobkörniges Gefüge aufweisen, so z. B. einer Zylinderlauffläche in einem Al-Kurbelgehäuse aus GD-AlSi12 oder einem Al-Motorkolben aus G-AlSi12MgCuNi, erfolgt daher in der darunterliegenden Schicht ein Umschmelzen des grobkörnigen Gefüges mit Korngrößen von 10 bis 20 µm zu einem sehr feinkörnigen Gefüge. Die umgeschmolzene Schicht hat bei Al-Werkstoffen eine Vickers-Härte, je nach eingesetzter Legierung, von typischerweise 150 bis 200 HV (im Vergleich hierzu hat grobkörniger Al-Guß oder Al-Druckguß Vickers-Härten von nur 60 bis 80 HV), ist feindispers bzw. feinkörnig und hat insbesondere Korngrößen von weniger als 1 µm, vorzugsweise weniger als 0,5 µm.
  • In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des zuvor beschriebenen Schichtsystems veranschaulicht. In der REM-Aufnahme gemäß Fig. 2 ist dieses mehrschichtige Gefüge von Schichten im Schnitt dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich universell anwenden und auf die speziellen Anwendungen maßschneidern.
  • Weiterer Gegenstand - gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ist somit die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in den Ansprüchen 17 bis 19 beschrieben ist.
  • So läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Erzeugnissen des Maschinenbaus, insbesondere des Automobilbaus, anwenden, beispielsweise für Komponenten von Verbrennungsmotoren, wie z. B. Zylinder, Zylinderlaufbahnen, Kolben, Nokkenwellen, Tassenstößel, Ventile, Lagerstellen an Pleueln etc.
  • Weiterhin läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Kolben von Verbrennungsmotoren, insbesondere für deren zumindest partielle Beschichtung, vorzugsweise mindestens im Bereich der oberen bzw. obersten Ringnut der Kolben, anwenden.
  • Des weiteren läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Erzeugnissen der Medizin und Medizintechnik anwenden.
  • In bezug auf die erfindungsgemäße Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung kann - zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen - auf die obigen Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst verwiesen werden, welche in bezug auf seine erfindungsgemäße Anwendung entsprechend gelten.
  • Schließlich sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung - Werkstoffe von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, deren Oberflächen mit Verschleißschutzschichten versehen sind, wie sie nach dem zuvor geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind.
  • Insbesondere sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß diesem Erfindungsaspekt Werkstoffe von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, deren Oberfläche mit einer mittels Laserbehandlung in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erzeugten Verschleißschutzschicht versehen ist, wobei die obere, äußere Schicht der Werkstoffoberfläche eine Oxidschicht des Werkstoffmetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid, umfaßt bzw. ist und die darunterliegende Schicht eine unreagierte, umgeschmolzene Schicht des Werkstoffs umfaßt bzw. ist.
  • Die erfindungsgemäß erzeugte Verschleißschutzschicht ist im allgemeinen ein Mehrschichtengefiige, insbesondere ein zweischichtiges Schichtengefiige, wobei dieses Mehrschichtengefüge die obere, äußere Oxidschicht des Werkstoffmetalls und die an die obere, äußere Oxidschicht angrenzende, unter der Oxidschicht liegende Schicht des umgeschmolzenen Werkstoffs ("Umschmelzschicht") umfaßt, unterhalb derer dann die hieran angrenzende unreagierte bzw. unveränderte Schicht des Werkstoffs angeordnet ist.
  • Für weitergehende Einzelheiten in bezug auf die erfindungsgemäßen Werkstoffe kann - zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen - auf die obigen Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Anwendung verwiesen werden, welche in bezug auf die erfindungsgemäßen Werkstoffe entsprechend gelten.
  • Die zuvor beschriebene Figurendarstellung gemäß Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Aufbau eines erfindungsgemäß mittels Laserbehandlung mit einer Verschleißschutzschicht versehenen Werkstoffes: Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht der unterliegende Werkstoff 3 aus einer grobkörnigen bzw. grobdispersen Phase, auf der die feindispersere bzw. feinkörnigere Umschmelzschicht 2 angeordnet ist, auf der wiederum die Oxidschicht 1 des Werkstoffmetalls aufgebracht ist.
  • Weitere Ausgestaltungen, Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann beim Lesen der Beschreibung ohne weiteres erkennbar und realisierbar, ohne daß er dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung verläßt.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels veranschaulicht, welches die vorliegende Erfindung jedoch keinesfalls beschränken soll.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein Zylinder aus G-AlSi12MgCuNi mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 60 mm wird auf der Mantelfläche mit einem Nd:YAG-Laser (Wellenlänge: 1.064 nm) behandelt. Die Leistungsdichte am Fußpunkt des Laserstrahls ist mit 106 W/cm2 eingestellt. Der Zylinder ist in eine Vorrichtung eingespannt und wird mit 6 U/min gedreht. Die Mantelfläche des Zylinders wird unter Rotation des Zylinders und gleichzeitigem Axialvorschub des Lasers systematisch abgerastert, wobei der Überlappungsgrad der Laserspuren 30 % beträgt.
  • Die Sauerstoffzufuhr (Atmosphäre: reiner Sauerstoff) erfolgt über eine Düse koaxial mit dem Laserstrahl in einem Winkel von 60°. Der Abstand der Düse vom Fußpunkt des auftreffenden Laserstrahls beträgt 20 mm. Als Gas wird reiner Sauerstoff mit einem Volumenstrom von 15 1/min verwendet.
  • In einem Querschliff, welcher den Figurendarstellungen gemäß Fig. 1 und 2 entspricht, wird folgender Schichtaufbau auf dem beschichteten Zylinder bestimmt:
    • • Obere Schicht: Zusammensetzung Korund (α-Al2O3) >90 %, Vickers-Härte (HV): (2.032 ± 88) HV (0,01), Dicke: (10 ± 2) µm
    • • Unterliegende Umschmelzschicht: Feinkörniges Gefüge, Vickers-Härte (HV): 180 HV, Dicke: ca. 200 µm
    • • Grundwerkstoff: Grobkörniges Gefüge, Vickers-Härte (HV): 80 HV

Claims (22)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, mittels Laserbehandlung,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Werkstoffoberfläche in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre einer Laserbestrahlung ausgesetzt wird derart, daß die obere (äußere) Schicht der Werkstoffoberfläche mit dem Sauerstoff zu einem Oxid des Werkstoffinetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid, reagiert und die darunterliegende Schicht des Werkstoffs ohne mit dem Sauerstoff zu reagieren umgeschmolzen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Verschleißschutzschicht ein Mehrschichtengefüge, insbesondere ein zweischichtiges Schichtengefüge, umfaßt, wobei das Mehrschichtengefüge die obere (äußere) Oxidschicht des Werkstoffmetalls und die an die obere (äußere) Oxidschicht angrenzende, unter der Oxidschicht liegende Schicht des umgeschmolzenen Werkstoffs (Umschmelzschicht), unterhalb derer die hieran angrenzende Schicht des Werkstoffs angeordnet ist, umfaßt.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffoberfläche vor der Erzeugung der Verschleißschutzschicht einem Umschmelzen, insbesondere gleichermaßen mittels Laserbehandlung, bevorzugt unter inerten Bedingungen, unterzogen worden ist und/oder daß als Werkstoffmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt wird und als obere (äußere) Schicht eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht) resultiert.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff ein Druckguß oder Guß, insbesondere ein Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, eingesetzt wird, insbesondere wobei der Druckguß oder Guß, insbesondere Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, grobkörnig ist und gegebenenfalls vor der Erzeugung der Verschleißschutzschicht einem Umschmelzen, insbesondere gleichermaßen mittels Laserbehandlung, unterzogen worden ist.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1.200 nm, insbesondere 800 bis 1.100 nm, eingesetzt wird und/oder daß als Laser ein nichtgepulster Diodenlaser oder ein Nd:YAG-Laser, insbesondere jeweils mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1.100 nm, eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbehandlung derart durchgeführt wird, insbesondere die mittels Laserbestrahlung einwirkende und/oder eingestrahlte Energie derart bemessen wird, daß die Reaktionstemperatur TReaktion an der Werkstoffoberfläche mindestens 1.000 °C beträgt (TReaktion ≥ 1.000 °C), und/oder daß die eingesetzte Leistungsdichte des Lasers im Bereich von 104 bis 108 W/cm2, insbesondere im Bereich von 105 bis 107 W/cm2, vorzugsweise mit etwa 106 W/cm2, gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffhaltige Atmosphäre reinen Sauerstoff umfaßt oder ein Gasgemisch aus Sauerstoff mit mindestens einem unter Reaktionsbedingungen nichtreaktiven, inerten Gas, vorzugsweise einem Edelgas, umfaßt und/oder daß die sauerstoffhaltige Atmosphäre keinen Stickstoff und/oder kein unter Reaktionsbedingungen Stickstoff generierendes Gas enthält.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Verschleißschutzschicht eine Gesamtdicke von 50 bis 350 µm, insbesondere 75 bis 300 µm, vorzugsweise 100 bis 250 µm, aufweist und/oder die obere (äußere) Schicht, insbesondere Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht), eine Schichtdicke von 1 bis 50 µm, insbesondere 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm, aufweist.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die obere (äußere) Schicht, insbesondere Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht), eine Vickers-Härte (HV) von mindestens 1.000 HV, insbesondere mindestens 1.500 HV, vorzugsweise mindestens 2.000 HV, aufweist.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die obere (äußere) Schicht, insbesondere Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht), eine Rauheit (Rauhtiefe) Ra ≤ 0,5 µm, insbesondere ≤ 0,4 µm, vorzugsweise ≤ 0,3 µm, aufweist.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die obere (äußere) Schicht eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht) ist und zu mindestens 60 %, vorzugsweise zu mindestens 80 %, besonders bevorzugt zu mehr als 90 %, aus Korund (α-Al2O3) besteht und/oder daß im Fall von siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen als Werkstoffgrundstoff die obere (äußere) Schicht außerdem bis zu 10 %, insbesondere bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 30 %, Siliziumdioxid (SiO2), insbesondere in der Form von Mullit, enthält.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die unter der oberen (äußeren) Oxidschicht, insbesondere Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht eine Dicke von 50 bis 300 µm, insbesondere 75 bis 250 µm, vorzugsweise 100 bis 200 µm, aufweist.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die unter der oberen (äußeren) Oxidschicht, insbesondere Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht eine Vikkers-Härte (HV) ≥ 150 HV, insbesondere ≥ 200 HV, aufweist und/oder daß die unter der oberen (äußeren) Oxidschicht, insbesondere Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht eine Vickers-Härte (HV) aufweist, die größer als die Vickers-Härte (HV) der unterliegenden Schicht des Grundwerkstoffs ist.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die unter der oberen (äußeren) Oxidschicht, insbesondere Al2O3-Schicht, angeordnete Umschmelzschicht feindispers und/oder feinkörnig ist, insbesondere mit einer Korngröße < 1 µm, vorzugsweise < 0,5 µm.
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der unter der Umschmelzschicht liegende Grundwerkstoff grobkörnig und/oder grobdispers ist, insbesondere mit einer Korngröße > 10 µm, vorzugsweise > 20 µm, und/oder daß der unter der Umschmelzschicht liegende Grundwerkstoff eine Vickers-Härte (HV) von bis zu 150 HV, insbesondere im Bereich von 50 bis 150 HV, vorzugsweise 75 bis 125 HV, aufweist.
  16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mehrstufig durchgeführt wird, wobei zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein bloßes Umschmelzen der Werkstoffoberfläche, vorzugsweise im oberflächennahen Bereich, durchgeführt wird und nachfolgend in einem zweiten Verfahrensschritt eine Korund- oder Korund/Mullit-Deckschicht erzeugt und/oder aufgebracht wird, insbesondere wobei die Verfahrensschritte nacheinander und/oder mit verschiedenen Lasertypen durchgeführt werden.
  17. Anwendung des Verfahrens gemäß den vorangehenden Ansprüchen zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Erzeugnissen des Maschinenbaus, insbesondere des Automobilbaus, vorzugsweise für Komponenten von Verbrennungsmotoren, insbesondere Zylinder, Zylinderlaufbahnen, Kolben, Nockenwellen, Tassenstößel, Ventile, Lagerstellen an Pleueln oder dergleichen.
  18. Anwendung des Verfahrens gemäß den vorangehenden Ansprüchen zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Kolben von Verbrennungsmotoren, insbesondere für deren zumindest partielle Beschichtung, vorzugsweise mindestens im Bereich der obersten Ringnut der Kolben.
  19. Anwendung des Verfahrens gemäß den vorangehenden Ansprüchen zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Erzeugnissen der Medizin und Medizintechnik.
  20. Werkstoffe von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, deren Oberfläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist, erhältlich nach dem Verfahren gemäß den vorangehenden Ansprüchen.
  21. Werkstoffe von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, deren Oberfläche mit einer mittels Laserbehandlung in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erzeugten Verschleißschutzschicht versehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verschleißschutzschicht mehrschichtig, insbesondere zweischichtig, aufgebaut ist und eine obere (äußere) Schicht und eine darunterliegende Schicht umfaßt, wobei die obere (äußere) Schicht der Werkstoffoberfläche eine Oxidschicht des Werkstoffinetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid, umfaßt oder ist und die darunterliegende Schicht eine unreagierte, umgeschmolzene Schicht des Werkstoffs umfaßt oder ist.
  22. Werkstoffe nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Verschleißschutzschicht ein Mehrschichtengefüge, insbesondere ein zweischichtiges Schichtengefüge, umfaßt, wobei das Mehrschichtengefüge die obere (äußere) Oxidschicht des Werkstoffmetalls und die an die obere (äußere) Oxidschicht angrenzende, unter der Oxidschicht liegende Schicht des umgeschmolzenen Werkstoffs (Umschmelzschicht), unterhalb derer die hieran angrenzende Schicht des Werkstoffs angeordnet ist, umfaßt.
EP07019137A 2006-10-30 2007-09-28 Erzeugung von Verschleissschutzschichten auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen mittels Laserbehandlung Withdrawn EP1921177A3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006051709A DE102006051709A1 (de) 2006-10-30 2006-10-30 Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen mittels Laserbehandlung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1921177A2 true EP1921177A2 (de) 2008-05-14
EP1921177A3 EP1921177A3 (de) 2011-03-16

Family

ID=39091873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP07019137A Withdrawn EP1921177A3 (de) 2006-10-30 2007-09-28 Erzeugung von Verschleissschutzschichten auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen mittels Laserbehandlung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8029907B2 (de)
EP (1) EP1921177A3 (de)
JP (1) JP2008111190A (de)
DE (1) DE102006051709A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2458518A (en) * 2008-03-20 2009-09-23 Minebea Co Ltd An aerospace bearing
DE102009044927A1 (de) * 2009-09-23 2011-04-07 Walter Ag Werkzeugbeschichtung
WO2015007497A1 (de) 2013-07-15 2015-01-22 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe sowie bremsscheibe
EP2853616A1 (de) * 2013-09-26 2015-04-01 AHC-Oberflächentechnik GmbH Verfahren zur Herstellung von verschleiß- und/oder korrosionsschützenden Oxidschichten
EP2862648A1 (de) * 2013-10-18 2015-04-22 Siemens Aktiengesellschaft Teilweises Umschmelzen von gegossenen Bauteilen und gegossene Komponente
WO2015058938A1 (de) * 2013-10-25 2015-04-30 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum schutz des verdichterrades eines abgasturboladers vor einer beschädigung sowie verdichterrad

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202008010896U1 (de) 2008-08-05 2008-10-23 AHC Oberflächentechnik GmbH Werkstoff, insbesondere Bauteile, mit verbesserten Verschleißschutzschichten
US8347908B2 (en) * 2009-08-27 2013-01-08 Honeywell International Inc. Lightweight titanium aluminide valves and methods for the manufacture thereof
CN102335789A (zh) * 2011-11-11 2012-02-01 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 一种去除叶片气膜孔内壁重熔层的装置及方法
DE102013210176B3 (de) * 2013-05-31 2014-09-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Laser-Prozess zur Erzeugung von Beschichtungen auf Leichtmetall(legierungen) sowie resultierende Beschichtungen und Produkte
DE102015213168A1 (de) 2015-07-14 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oxidschicht sowie ein dadurch erzeugtes Substrat
GB2580856A (en) * 2017-06-13 2020-08-05 Beijing Didi Infinity Technology & Dev Co Ltd International Patent Application For Method, apparatus and system for speaker verification
DE102018110905A1 (de) 2018-05-07 2019-11-07 Lucas Automotive Gmbh Elektrode für ein Eloxal-Verfahren
JP2021004377A (ja) * 2019-06-25 2021-01-14 本田技研工業株式会社 アルミニウム部材の製造方法及びアルミニウム部材
US20230058107A1 (en) * 2020-02-06 2023-02-23 Toyo Seikan Co., Ltd. Decorated aluminum base material production method and decorated aluminum base material
JP7095010B2 (ja) * 2020-03-24 2022-07-04 本田技研工業株式会社 酸化被膜及び酸化被膜付部品
CN112941440B (zh) * 2021-01-28 2022-01-18 北京科技大学 一种利用高能束制备非平衡超细组织合金的方法
CN115198226B (zh) * 2022-08-16 2023-08-22 中国人民解放军空军工程大学 基于飞秒激光诱导表面氧化层提升金属抗腐蚀性能的方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61113756A (ja) * 1984-11-09 1986-05-31 Yoshikawa Kogyo Kk 耐海水性Ａｌ被覆鋼材の製造方法
EP0237448B1 (de) * 1986-02-25 1989-05-24 PECHINEY RECHERCHE (Groupement d'Intérêt Economique régi par l'ordonnance du 23 Septembre 1967) Werkstücke aus Aluminium und seinen Legierungen, wobei mindestens eine Fläche mindestens einen verschleissfesten Bereich enthält
JPH0920941A (ja) * 1995-07-05 1997-01-21 Mitsubishi Motors Corp ディスクブレーキ用ブレーキロータとその製造方法
DE19544295A1 (de) * 1995-11-28 1997-06-05 Zeiss Carl Jena Gmbh Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich
DE19924523A1 (de) * 1999-05-28 2000-11-30 Laserworks Gmbh Rostock Hochverschleißfestes Kalibrierwerkzeug zur Herstellung von Kunststoffprofilen und Verfahren für die Erzeugung verschleißfester Funktionsflächen
US20010030002A1 (en) * 2000-03-07 2001-10-18 Zheng Hong Yu Process for laser marking metal surfaces
DE10059802A1 (de) * 2000-12-01 2002-06-13 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zur Oberflächenvergütung
WO2008019721A1 (de) * 2006-08-18 2008-02-21 Mg-Micro Galva Gmbh Laseroxidieren von magnesium-, titan- oder aluminiumwerkstoffen

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0737660B2 (ja) * 1985-02-21 1995-04-26 トヨタ自動車株式会社 アルミ合金鋳物製内燃機関用シリンダヘッドの改良処理方法
DE3843647A1 (de) * 1988-12-23 1990-07-05 Vollmer Werke Maschf Verfahren und vorrichtungen zum aufbringen geschmolzenen harten werkstoffs auf zaehne von schneidwerkzeugen
DE3917211A1 (de) * 1989-05-26 1990-11-29 Aesculap Ag Verfahren zur herstellung einer gehaerteten oberflaeche bei gelenkendoprothesen
JP3135612B2 (ja) * 1991-07-11 2001-02-19 マツダ株式会社 Ａｌ合金製部材及びその製造方法
DE4139006C3 (de) * 1991-11-27 2003-07-10 Electro Chem Eng Gmbh Verfahren zur Erzeugung von Oxidkeramikschichten auf sperrschichtbildenden Metallen und auf diese Weise erzeugte Gegenstände aus Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen mit einer Oxidkeramikschicht
DE10202184C1 (de) * 2002-01-22 2003-05-28 Federal Mogul Nuernberg Gmbh Lasernitrieren von Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen
US6837299B2 (en) * 2002-04-26 2005-01-04 Sky+Ltd. Heating to control solidification of cast structure
JP2004131849A (ja) * 2002-10-11 2004-04-30 Kazuhiro Ogawa 熱遮蔽コーティング部材作製方法および熱遮蔽コーティング部材

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61113756A (ja) * 1984-11-09 1986-05-31 Yoshikawa Kogyo Kk 耐海水性Ａｌ被覆鋼材の製造方法
EP0237448B1 (de) * 1986-02-25 1989-05-24 PECHINEY RECHERCHE (Groupement d'Intérêt Economique régi par l'ordonnance du 23 Septembre 1967) Werkstücke aus Aluminium und seinen Legierungen, wobei mindestens eine Fläche mindestens einen verschleissfesten Bereich enthält
JPH0920941A (ja) * 1995-07-05 1997-01-21 Mitsubishi Motors Corp ディスクブレーキ用ブレーキロータとその製造方法
DE19544295A1 (de) * 1995-11-28 1997-06-05 Zeiss Carl Jena Gmbh Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich
DE19924523A1 (de) * 1999-05-28 2000-11-30 Laserworks Gmbh Rostock Hochverschleißfestes Kalibrierwerkzeug zur Herstellung von Kunststoffprofilen und Verfahren für die Erzeugung verschleißfester Funktionsflächen
US20010030002A1 (en) * 2000-03-07 2001-10-18 Zheng Hong Yu Process for laser marking metal surfaces
DE10059802A1 (de) * 2000-12-01 2002-06-13 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zur Oberflächenvergütung
WO2008019721A1 (de) * 2006-08-18 2008-02-21 Mg-Micro Galva Gmbh Laseroxidieren von magnesium-, titan- oder aluminiumwerkstoffen

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AUTRIC MICHEL ET AL: "Excimer laser treatment for modifying mechanical properties and corrosion behavior of metals", CORROSION AND ITS CONTROL : PROCEEDINGS OF INTERNATIONAL CONFERENCE ON CORROSION, CORCON-97, NEHRU CENTRE, MUMBAI, INDIA, 3 - 6 DECEMBER 1997 /, CORCON, MUMBAI, IN, Bd. 1, 1. Januar 1998 (1998-01-01), Seiten 347-356, XP008132614, *
ELLIOTT W A ET AL: "Rapid cooling by laser melt quenching", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, Bd. 21, Nr. 1, 1. Juli 1972 (1972-07-01), Seiten 23-25, XP008132653, ISSN: 0003-6951 *
ZHANG KUN ET AL: "Study of laser oxidizing for titanium hardening", CA, Bd. 30, Nr. 3, 2005, - 2005, Seite 8-10, XP002446844, *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2458518A (en) * 2008-03-20 2009-09-23 Minebea Co Ltd An aerospace bearing
GB2458518B (en) * 2008-03-20 2010-06-30 Minebea Co Ltd An aerospace bearing component
DE102009044927A1 (de) * 2009-09-23 2011-04-07 Walter Ag Werkzeugbeschichtung
US8858666B2 (en) 2009-09-23 2014-10-14 Walter Ag Tool coating
WO2015007497A1 (de) 2013-07-15 2015-01-22 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe sowie bremsscheibe
DE102013213790A1 (de) 2013-07-15 2015-06-11 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe sowie Bremsscheibe
EP2853616A1 (de) * 2013-09-26 2015-04-01 AHC-Oberflächentechnik GmbH Verfahren zur Herstellung von verschleiß- und/oder korrosionsschützenden Oxidschichten
US9994948B2 (en) 2013-09-26 2018-06-12 AHC Oberflächentechnik GmbH Method for producing oxide layers which protect against wear and/or corrosion
EP2862648A1 (de) * 2013-10-18 2015-04-22 Siemens Aktiengesellschaft Teilweises Umschmelzen von gegossenen Bauteilen und gegossene Komponente
WO2015055325A1 (de) * 2013-10-18 2015-04-23 Siemens Aktiengesellschaft Teilweises umschmelzen von gegossenen bauteilen und gegossene komponente
WO2015058938A1 (de) * 2013-10-25 2015-04-30 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum schutz des verdichterrades eines abgasturboladers vor einer beschädigung sowie verdichterrad

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008111190A (ja) 2008-05-15
US20080102298A1 (en) 2008-05-01
EP1921177A3 (de) 2011-03-16
US8029907B2 (en) 2011-10-04
DE102006051709A1 (de) 2008-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1921177A2 (de) Erzeugung von Verschleissschutzschichten auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen mittels Laserbehandlung
EP1041173B1 (de) Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP2707621B1 (de) Bremsscheibe und verfahren zum herstellen einer bremsscheibe
WO2015188918A1 (de) Bremsscheibe für ein kraftfahrzeug
DE3202788C2 (de) Zylinderlaufbüchse
EP0411322A1 (de) Verfahren zum Herstellen verschleissfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Aluminium-Silicium-Legierung
CH671239A5 (de)
EP3022338B1 (de) Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe sowie bremsscheibe
WO2008019721A1 (de) Laseroxidieren von magnesium-, titan- oder aluminiumwerkstoffen
DE202008010896U1 (de) Werkstoff, insbesondere Bauteile, mit verbesserten Verschleißschutzschichten
WO1994008071A1 (de) Schutz gegen korrosive und erosive angriffe bei temperaturen bis etwa 500 °c für ein aus chromstahl bestehendes substrat
DE112010005202B4 (de) Verfahren zur Behandlung einer Metalloberfläche
EP1157141B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils
DE3922377C2 (de) Verfahren zum Behandeln der mechanisch oder elektrochemisch gehonten Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen
DE3816310A1 (de) Verfahren zur anreicherung von titan in der unmittelbaren oberflaechenzone eines bauteils aus einer mindestens 2,0 gew.-% titan enthaltenden nickelbasis-superlegierung und verwendung der nach dem verfahren angereicherten oberflaeche
DE102007059771A1 (de) Eingussteile mit Konditionierungsschicht zum Eingießen in Leichtmetalle
DE4222211C1 (de)
EP2140042B1 (de) Erzeugung eines partiellen faserverbundgefüges in einem bauteil über eine laserumschmelzbehandlung
EP2607515B1 (de) Diffusionsbeschichtungsverfahren und damit hergestellte Chromschicht
DE19518552C2 (de) Kolben für Verbrennungsmotoren
EP0352220B1 (de) Oberflächenbeschichtung aus einer Aluminium-Basislegierung
DE112009000308T5 (de) Funkenerosives Beschichtungsverfahren und dabei eingesetzte Grünlingelektrode
EP1329533B1 (de) Lasernitrieren von Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen
EP1127958B1 (de) Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche
DE102010049840B4 (de) Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA HR MK RS

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA HR MK RS

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: C23C 8/02 20060101ALI20110207BHEP

Ipc: C23C 28/04 20060101ALI20110207BHEP

Ipc: C23C 8/10 20060101AFI20080408BHEP

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20110401