PL193699B1

PL193699B1 - Blok cylindrowy z metalu lekkiego oraz sposób i urządzenie do wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego

Info

Publication number: PL193699B1
Application number: PL339334A
Authority: PL
Inventors: Franz Josef Feikus
Original assignee: Vaw Ver Aluminium Werke Ag
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2007-03-30
Also published as: JP2002541322A; CZ294043B6; US20020033160A1; KR20010043633A; AU775660B2; JP3467744B2; EP1041173B1; US6797916B2; HUP0001361A3; DE50006550D1; DE19915038A1; PL339334A1; WO2000060136A1; US6575130B2; US20020153359A1; ATE267891T1; CA2332944C; RU2212472C2; CA2332944A1; BR0006013B1

Abstract

1. Blok cylindrowy z metalu lekkiego, z co najmniej jed- na, odporna na scieranie i wykazujaca optymalne wlasnosci trybologiczne, powierzchnia toczna, skladajaca sie z osno- wy ze stopu metalu lekkiego oraz warstwy powierzchnio- wej, zawierajacej drobnodyspersyjne wydzielenia krzemu pierwotnego, znamienny tym, ze krzem pierwotny sklada sie z równomiernie rozlozonych, okraglych ziaren o sredniej srednicy od 1 do 10 µm, zas warstwa ......................... 7. Sposób wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego, z co najmniej jedna, odporna na scieranie i wyka- zujaca optymalne wlasnosci trybologiczne, powierzchnia toczna, skladajaca sie z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz zawierajacej twarda substancje proszkowa warstwy powierzchniowej, która w postaci drobnodyspersyjnych pierwotnych wydzielen krzemowych jest osadzona w osno- wie ze stopu lekkiego, przy uzyciu sposobu grawitacyjnego, niskocisnieniowego lub odlewania cisnieniowego oraz nastepujacej po nich obróbki powierzchniowej za pomoca wiazki laserowej i, skierowanego równolegle do niej, stru- mienia proszku, znamienny tym, ze wiazke ................... 17. Urzadzenie do wytwarzania bloku cylindrowego zmetalu lekkiego, zwlaszcza do powlekania powierzchni tocznej pustego cylindra, skladajace sie z doprowadzenia proszku, urzadzenia laserowego i ukladu ogniskujacego z lustrem kierujacym, znamienne tym, ze doprowadzenie (1), proszku i urzadzenie laserowe (2) sa......................... PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest blok cylindrowy z metalu lekkiego oraz sposób i urządzenie do wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 837 152 A1 (Bayerische Motoren Werke AG) znany jest sposób powlekania wykonanego ze stopu aluminium, elementu silnika spalinowego. Wiązkę laserową kieruje się przy tym tak, że nie dociera ona bezpośrednio do powierzchni powlekanego elementu, lecz pada najpierw na strumień proszku. Energia wiązki laserowej powoduje całkowite przejście proszku z fazy stałej w fazę ciekłą, w związku z czym przy padaniu na powierzchnię powlekanego elementu drobne kropelki stopionego proszku osadzają się na niej w postaci warstwy, która z uwagi na warunki krzepnięcia zestala się częściowo w postaci amorficznej.

W znanym sposobie nie wprowadza się zatem proszku do powierzchniowej warstwy powlekanego elementu, lecz przeprowadza się przemianę fazową materiału powłoki na drodze do powierzchni, przy czym proszek aluminiowo-krzemowy ulega upłynnieniu w wiązce laserowej. Przy krzepnięciu na powierzchni powinien powstawać drobnodyspersyjny krzem, tak zwany krzem pierwotny.

Zależnie od prędkości chłodzenia mają przy tym być wytwarzane kryształy krzemu o wielkości rzędu od 1 do 5 mm. Wymagane do tego celu, szybkie chłodzenie nie daje się jednak zrealizować w praktyce, jako że energia wiązki laserowej oddziałuje na powlekany element. Powierzchnia podłoża jest zatem bardzo gorąca, wobec czego nie może dostatecznie szybko odprowadzać ciepła padającego na nią, stopionego krzemu, w związku z czym nie powstaje faza krystaliczna i kryształy pierwotne, lecz fazy amorficzne.

W rozwiązaniu, opisanym w patencie BMW, przy grubości nałożonej warstwy równej 3 mm zdejmuje się, celem uzyskania gładkiej, płaskiej powierzchni, około 50% materiału warstwy (kolumna 6, wiersze 10 do 15). Oznacza to duże straty materiałowe, ponadto należy uwzględnić niewykorzystaną strefę brzegową, związaną ze znaczną falistością nakładanego kropelkowo materiału.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP-A-0 221 276 znany jest ponadto sposób, polegający na podwyższaniu odporności na ścieranie stopu aluminium poprzez przetopienie warstw brzegowych przy użyciu energii laserowej. Na powierzchnię nakłada się przy tym warstwę złożoną ze spoiwa, proszkowego krzemu, miedzi i węglika tytanu, a następnie wtapia się ją przy użyciu lasera w powierzchnię. Dodatek TiC wynosi w opisanych tu wariantach wykonania od 5 do 30% i powoduje znaczny wzrost twardości powierzchni.

W aspekcie trybologicznym jednak bardzo duża szybkość chłodzenia przy przetapianiu laserowym powoduje wprawdzie znaczne rozdrobnienie ziarna, nie pozwala jednak na wytworzenie w wystarczającym stopniu krzemu pierwotnego. Dlatego też przetapianie laserowe nie nadaje się do wytwarzania tocznych powierzchni cylindrów w maszynach o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka, wykonanych ze stopów AlSi z płaszczyznami nośnymi z krzemu pierwotnego i cofniętymi obszarami, zawierającymi środki smarne.

W europejskim opisie patentowym nr EP 0 411 322 A1 przedstawiony jest sposób wytwarzania odpornych na ścieranie powierzchni na elementach ze stopu AlSi, który to sposób jest oparty na opisanym powyżej europejskim opisie patentowym nr EP 0 221 276, przy czym do warstwy przed wtopieniem za pomocą lasera dodaje się środek zaszczepiający krystalizację (katalizator zarodkowania) dla pierwotnych kryształów krzemu. Jako środek zaszczepiający krystalizację względnie katalizator zarodkowania stosuje się następujące substancje: azotek krzemu, węglik krzemu, węglik tytanu, azotek tytanu, węglik boru i borek tytanu.

W korzystnym wariancie wykonania powłokę wytwarza się techniką sitodruku w postaci odrywalnej folii i umieszcza się ją na powierzchni danego detalu. Grubość warstwy wynosi korzystnie 200 mm, zaś głębokość wtopienia od 400 do 600 mm. Stosuje się liniowo zogniskowaną wiązkę laserową w atmosferze obojętnej, aby wtapianie przeprowadzić do głębokości 400 mm. Udział krzemu w strefie stopowej wynosił tutaj 25% przy udziale niklu równym 8% (twardość powyżej 250 HV).

Jak już wspomniano powyżej, w ostatnim z wymienionych sposobów przetapiania względnie wtapiania podczas nakładania warstwy na stopową osnowę konieczne jest przeprowadzenie chłodzenia, aby otrzymać żądane drobnodyspersyjne wydzielenia krzemu pierwotnego. Z uwagi na dodany środek zaszczepiający krystalizację mogą zachodzić reakcje z powierzchnią aluminium. Poza tym środki, służące do nakładania powłoki, nie zawsze można stosować do powierzchni zakrzywionych.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 622 476 A1 znane jest podłoże metaliczne z indukowaną laserowo powłoką typu MMC. Warstwa MMC ma grubość od 200 mm do 3 mm i zawiera rozPL 193 699 B1 łożone równomiernie cząstki SiC, przy czym w warstwie MMC zawartych jest korzystnie do 40% wagowych SiC w postaci równomiernie rozłożonych cząstek. Przy wytwarzaniu nagrzewa się w wiązce laserowej mieszaninę proszków, zawierającą proszek SiC i wstępnie stopiony proszek AlSi, przy czym ciepło potrzebne do wytworzenia jednorodnego stopu z mieszaniny proszków jest uzyskiwane z padającego na podłoże proszku. Produkty zawierające węgliki spiekane, jak SiC, mają bardzo dużą twardość, która jest niekorzystna z punktu widzenia odporności pierścieni tłokowych na ścieranie. Poza tym obróbka wymaga znacznych nakładów, ponieważ należy zdjąć górną warstwę cząstek ceramicznych, aby otrzymać spełniającą swoją funkcję, pozbawioną odprysków powierzchnię toczną.

Celem wynalazku jest opracowanie bloku cylindrowego z metalu lekkiego, mającego co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wytrzymałą w sensie trybologicznym, powierzchnię toczną, w której warstwa powierzchniowa składa się z 5 do 20% drobnodyspersyjnego krzemu pierwotnego, który na przejściu do stopowej osnowy ma strefę brzegową o niewielkiej szerokości i który w strefie przejściowej jest wolny od wad i wtrąceń tlenkowych. Sposób wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego powinien składać się z niewielkiej ilości operacji, przy czym powinna być możliwa całkowita rezygnacja z chemicznej obróbki wykańczającej. Celem wynalazku jest także zaproponowanie urządzenia do realizacji powyższego sposobu.

Blok cylindrowy z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, składającą się z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz warstwy powierzchniowej, zawierającej drobnodyspersyjne wydzielenia krzemu pierwotnego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że krzem pierwotny składa się z równomiernie rozłożonych, okrągłych ziaren o średniej średnicy od 1do 10 mm, zaś warstwa powierzchniowa zawiera od 10 do 14% eutektyki AlSi, od 5 do 20% krzemu pierwotnego i resztę w postaci czystej fazy Al, przy czym minimalna twardość powierzchni wynosi 160 HV.

Korzystnie ziarna fazy krzemu pierwotnego są rozmieszczone w warstwie powierzchniowej w odstępie równym od 1 do 5 średnic tych ziaren.

Korzystnie krzem pierwotny jest osadzony w stopowej osnowie w strefie nasycenia dyfuzyjnego, mającej kształt pasa o szerokości co najmniej 2 mm i średniej grubości warstwy od 150 do 650 mm, przy czym pasy są ułożone spiralnie na powierzchni tocznej cylindra, zaś ich szerokość wynosi korzystnie od 2 do 4 mm.

Korzystnie przy kilku, umieszczonych obok siebie, strefach nasycenia dyfuzyjnego pasy tych stref zachodzą na siebie, przy czym szerokość obszaru zachodzenia wynosi od 5 do 10%.

Blok cylindrowy z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, składającą się z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz warstwy powierzchniowej, zawierającej drobnodyspersyjne pierwotne wydzielenia krzemowe, według wynalazku charakteryzuje się również tym, że warstwa powierzchniowa stanowi czystą warstwę dyfuzyjną, składającą się z bogatej w wydzielenia strefy nasycenia dyfuzyjnego oraz ubogich w wydzielenia stref brzegowych, przy czym wydzielenia mają postać równomiernie rozłożonych, okrągłych ziaren krzemu pierwotnego o średniej średnicy od 1do 10 mm, zaś strefa nasycenia dyfuzyjnego zawiera od 10 do 14% eutektyki AlSi, od 5 do 20% krzemu pierwotnego i resztę w postaci czystej fazy aluminiowej, przy czym minimalna twardość powierzchni wynosi 160 HV.

Sposób wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, składającą się z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz zawierającej twardą substancję proszkową warstwy powierzchniowej, która w postaci drobnodyspersyjnych pierwotnych wydzieleń krzemowych jest osadzona w osnowie ze stopu lekkiego, przy użyciu sposobu grawitacyjnego, niskociśnieniowego lub odlewania ciśnieniowego oraz następującej po nich obróbki powierzchniowej za pomocą wiązki laserowej i, skierowanego równolegle do niej, strumienia proszku, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wiązkę laserową w kształcie pasa o szerokości, wynoszącej co najmniej 2 mm w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu, prowadzi się nad powierzchnią osnowy z metalu lekkiego, zaś proszek nagrzewa się do temperatury topienia i wdyfundowuje dopiero w punkcie padania wiązki laserowej na powierzchnię osnowy z metalu lekkiego w czasie styku wynoszącym od 0,1 do 0,5 s.

Korzystnie osnowę ze stopu z metalu lekkiego stapia się całkowicie w punkcie padania na głębokość co najmniej 350 mmi przeprowadza się ją na powierzchni w stan plazmy.

Korzystnie ze stopionego proszku tworzy się przy dyfuzji strefę nasycenia dyfuzyjnego o grubości warstwy równej od 500 do 1000 mm.

PL 193 699 B1

Korzystnie stosuje się proszek, który tuż przed dotarciem do stopowej osnowy ma strukturę ziarnistą, zaś nagrzewa się i wdyfundowuje dopiero w styku ze stopową osnową w obszarze wiązki laserowej w czasie styku wynoszącym od 0,1 do 0,5 s.

Korzystnie steruje się prędkością przesuwu wiązki laserowej tak, że dyfuzja stopowej osnowy zachodzi na głębokość od 350 do 850 mm, poprzez powolne sterowane chłodzenie strefy nasycenia dyfuzyjnego otrzymuje się okrągłe fazy pierwotne, których średnica jest mniejsza niż 10 mm, zaś wzajemne odstępy wynoszą od 1do 5 średnic, oraz otrzymuje się wydzielenia faz twardych przy twardości warstwy od 110 do 160 HV.

Korzystnie stosuje się prędkość przesuwu od 0,8 do 4,0 m na minutę przy zogniskowanej powierzchni padania wiązki laserowej od 1do 10 mm²i mocy światła laserowego od 3 do 4 kW.

Korzystnie wiązkę laserową o liniowym ognisku obraca się spiralnie po wewnętrznej powierzchni pustego cylindra, przy czym dodaje się proszek Si, tworząc strefę nasycenia dyfuzyjnego, zawierającą krzem pierwotny w postaci pasów.

Korzystnie strefę nasycenia dyfuzyjnego obrabia się na głębokość, wynoszącą średnio 750 mm.

Korzystnie twarde fazy strefy nasycenia dyfuzyjnego odsłania się w drodze obróbki mechanicznej, przy czym z warstwy wierzchniej zdejmuje się ilość materiału mniejszą niż 30% całkowitej grubości warstwy.

Korzystnie strefę nasycenia dyfuzyjnego honuje się bezpośrednio, bez obróbki pośredniej.

Urządzenie do wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego, zwłaszcza do powlekania powierzchni tocznej pustego cylindra, składające się z doprowadzenia proszku, urządzenia laserowego i układu ogniskującego z lustrem kierującym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że doprowadzenie proszku i urządzenie laserowe są prowadzone równolegle do siebie w promieniowym i osiowym kierunku pustego cylindra, układ ogniskujący ma liniowy wylot wiązki o szerokości od 2,0 do 2,5 mm, zaś doprowadzenie proszku jest zaopatrzone w urządzenie dozujące, za pomocą którego strumień objętościowy proszku jest regulowany w zależności od prędkości przesuwu wiązki laserowej.

Korzystnie układ ogniskujący ma ognisko o kształcie X, Ilub 8, którego górne i dolne strefy brzegowe mają większą podaż energii niż obszar środkowy.

Poniżej przedstawionych jest kilka korzystnych przykładów zastosowania stapiania laserowego według wynalazku. Najpierw opisane jest urządzenie do powlekania wewnętrznej komory bloku silnikowego z metalu lekkiego, to jest aluminium lub stopu magnezu, przy czym do cylindra bloku silnikowego opuszcza się sondę, doprowadzając jednocześnie czysty proszek krzemowy. Sonda jest zaopatrzona w doprowadzenie proszku i urządzenie do emitowania wiązki laserowej.

Za pomocą umieszczonego na sondzie obrotowego mechanizmu napędowego dysza do wyrzucania proszku i strumień energetyczny są kierowane do wewnętrznej komory względnie na powierzchnię toczną bloku silnikowego z metalu lekkiego.

Za pomocą tego urządzenia wtapianie cząstek twardych substancji w postaci krzemu ma być realizowane przy użyciu, obracającej się spiralnie nad powierzchnią toczną, wiązki laserowej oraz doprowadzanych równolegle cząstek krzemu. Aby energia lasera była rozprowadzana szerokim śladem na powierzchni osnowy, wiązka laserowa ma liniowe ognisko, korzystnie o szerokości wynoszącej od 2 do 4 mm. W porównaniu do powierzchni obrabianej przez laser punktowy w przypadku użycia wiązki zogniskowanej nie powstaje profil falisty, lecz płaska taśma z drobnodyspersyjnymi cząstkami krzemu pierwotnego. Taśma jest nazywana strefą nasycenia dyfuzyjnego, przy czym zawiera ona jedynie wąską strefę przejściową (strefa brzegowa) pomiędzy strefą nasycenia dyfuzyjnego i osnową metaliczną (patrz fig. 1).

Ponieważ proszek tuż przed dotarciem do stopowej osnowy metalicznej ma strukturę ziarnistą i dopiero w styku ze stopową osnową metaliczną w obszarze wiązki laserowej topi się i wdyfundowuje w czasie od 0,1 do 0,5 s, w przypadku liniowego ogniska można osiągnąć niewielki udział strefy brzegowej, wynoszący około 10%. Ślad lasera jest wpuszczany spiralnie w otwór cylindra, przy czym w razie potrzeby można zrezygnować z nakładania się śladów, w związku z czym obszary użyteczne praktycznie stykają się ze sobą. W ten sposób powstaje gładka, całkowicie jednorodna warstwa powierzchniowa, która wymaga jedynie niewielkiej obróbki wykańczającej celem usunięcia lekkiej falistości.

W ramach przykładowej obróbki według wynalazku, stosowanej przy wytwarzaniu bloku cylindrowego z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, przeprowadza się następujące operacje.

Najpierw wytwarza się w stopowej osnowie strefę nasycenia dyfuzyjnego, zawierającą krzem pierwotny o średniej grubości warstwy od 300 do 750 mm. Dokładne wartości grubości warstwy zależą

PL 193 699 B1 od różnych czynników, jak parametry sposobu, dokładność ustawienia urządzenia i tolerancje wymiarowe odlewu. Dlatego też poniżej w odniesieniu do wszystkich danych mówi się o średniej grubości warstwy, przy czym zakres tolerancji można utrzymać w bardzo wąskich granicach, ponieważ urządzenie można wycentrować na obrabianym detalu.

Wyjściową grubość warstwy od 300 do 750 mm doprowadza się następnie w kolejnej operacji do żądanej grubości finalnej, przeprowadzając obróbkę gładkościową, na przykład honowanie, zdejmując przy tym do 150 mm materiału. Końcowa grubość warstwy, osiągana przy użyciu sposobu według wynalazku, leży w przedziale od 150 do 650 mm. Chodzi tutaj o czystą warstwę dyfuzyjną, charakteryzującą się szczególną strukturą, stanowiącą przedmiot wynalazku.

Poprzez sterowanie doprowadzaniem proszku, posuwem wiązki laserowej i doprowadzaną energią lasera można ustalić wielkość wydzieleń faz twardych. Przy wielkości wydzieleń poniżej 10 mm zmniejsza się głębokość uszkodzeń faz twardych, spowodowanych mechaniczną obróbką wykańczającą, w związku z czym można tu znacznie ograniczyć elementy obróbki, niezbędne dotychczas do usunięcia zniszczonych faz twardych. Głębokość uszkodzeń jest określona przez zawarte w górnej warstwie, nie związane na stałe fazy twarde.

Wtapianie wiązką laserową powoduje utwardzenie powierzchni, przy czym osiągane twardości warstwy powierzchniowej wynoszą co najmniej 160 HV. Dzięki dobremu utwardzeniu powierzchnie obrobione laserem można bezpośrednio honować. Nie są tu potrzebne dodatkowe operacje mechaniczne lub chemiczne, konieczne dotychczas dla odsłonięcia faz twardych, nie jest zatem konieczne wymagane dotychczas rozwiercanie cylindra, ponieważ zależnie od stopnia nakładania się pasowych stref nasycenia dyfuzyjnego falistość powierzchni jest na tyle mała, że można ją pominąć.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, ukazującym osiąganą według wynalazku strukturę powierzchniową powierzchni tocznej bloku silnikowego w odniesieniu do przykładu porównawczego, przy czym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do nakładania powłok według wynalazku, w przekroju częściowym, fig. 2 - schemat wytworzonej według wynalazku warstwy powierzchniowej, fig. 3 - przykład porównawczy z inną strukturą powierzchni, zaś fig. 4 - odlew w przekroju w obszarze strefy stopionej laserem.

Jak widać na fig. 1, ukształtowane według wynalazku urządzenie do nakładania powłok składa się z doprowadzenia 1 proszku, zaopatrzonego na końcu 1a w dyszę 1b, skierowaną na powierzchnię toczną 7 płaszcza 5 bloku cylindrowego.

Doprowadzanie energii odbywa się poprzez urządzenie laserowe 2, układ ogniskujący 3 i lustro kierujące 4, które sprawia, że wiązka laserowa 6 pada na powierzchnię toczną 7 dopiero razem z proszkiem.

W oparciu o znane prawa optyczne wiązka laserowa 6 jest ogniskowana liniowo, korzystnie w kształcie X, I lub 8, a następnie, przykładowo poprzez przechylanie, kierowana na powierzchnię toczną 7. Poprzez kształt obrazu wiązki można sterować ilością doprowadzanej energii, co z kolei pozwala kształtować strukturę wydzieleń na brzegach detalu.

W wyniku obrotu lustra 4 wiązka laserowa 6 wędruje przez powierzchnię toczną 7, w związku zczym powstaje taśma w kształcie pasa. Jeżeli przy tym jednocześnie zachodzi przesuw w kierunku osi 8 cylindra, wówczas nakładanie się obu ruchów prowadzi do powstania spiralnej powłoki na powierzchni tocznej 7. Ruch obrotowy i postępowy w kierunku osi 8 cylindra powinny być przy tym tak wzajemnie dopasowane, aby zwoje spirali przylegały szczelnie do siebie, tworząc zamkniętą strefę nasycenia dyfuzyjnego.

Na fig. 2 przedstawiona jest, wytworzona według wynalazku za pomocą liniowego ogniska, strefa10 nasycenia dyfuzyjnego, składająca się z bogatej w wydzielenia strefy 11 i dwóch, umieszczonych z boku, ubogich w wydzielenia, stref 12, 13. Na fig. 2 ukazany jest stan strefy nasycenia dyfuzyjnego bezpośrednio po powlekaniu laserowym, przy czym widać, że udział ubogiej w wydzielenia strefy LAL, w odniesieniu do użytecznej długości LNL strefy bogatej w wydzielenia, jest stosunkowo mały. Odpowiednie obszary na fig. 3 są oznaczone LAKi należą do stref brzegowych 15, 16, 17.

Na fig. 3 przedstawione są, jako przykład porównawczy, trzy strefy nasycenia dyfuzyjnego, wytworzone przy użyciu typowego ogniska kołowego, przy czym szerokość powlekania w sposobie z ogniskiem liniowym i w sposobie z ogniskiem kołowym jest w przybliżeniu jednakowa. Widać tutaj, że użyteczna długość LNK bogatej w wydzielenia struktury w sposobie z ogniskiem kołowym jest znacznie mniejsza niż użyteczna długość LNL przy ognisku liniowym. Ponadto użyteczna głębokość utwardzonej warstwy powierzchniowej przy ognisku kołowym jest znacznie mniejsza niż przy ognisku liniowym, ponieważ w przypadku ogniska kołowego uboga w wydzielenia struktura sięga aż do głęb6

PL 193 699 B1 szych stref struktury bloku cylindrowego. Jest to uwidocznione na fig. 3 w przekroju przebiegającym przez szerokie strefy brzegowe 15, 16, 17.

Ponieważ przy jednakowej głębokości wnikania głębokość użyteczna w przykładzie porównawczym na fig. 3 jest mniejsza niż w przykładzie według wynalazku na fig. 2, jakość powłoki w przykładzie porównawczym jest również mniej korzystna. Ponadto wymagana ilość usuniętego materiału AhwkW przykładzie porównawczym jest większa niż ilość usuwana w przykładzie według wynalazku ^H_WL), przy jednakowej głębokości obróbki dla obu przykładów, ponieważ ognisko kołowe wytwarza falistą warstwę powierzchniową, która w obszarze powierzchni tocznej wykazuje mniejszy użyteczny udział MK materiału niż odpowiedni fragment powierzchni tocznej z fig. 2 (LNL).

Użyteczny udział materiału wynosi w przykładzie według wynalazku LNL, natomiast MK jest równa sumie poszczególnych wartości LNK1, LNK2, LNK3.

Blok cylindrowy z metalu lekkiego według wynalazku ma w związku z tym bardziej odporną na ścieranie powierzchnię toczną, która dzięki równomiernemu rozkładowi drobnych wydzieleń krzemu pierwotnego ma optymalne własności trybologiczne i którą można wytwarzać przy znacznie mniejszych nakładach technologicznych, przy użyciu liniowego ogniskowania i zachodzącej na siebie powłoki.

Jest to uwidocznione na podstawie obrazu struktury na fig. 4. Chodzi tutaj o obraz zgładu metalograficznego o powiększeniu 200:1, przy czym w prawej części A figury widoczny jest stop odlewniczy typu AlSi9Cu3, zaś w lewej części B figury zoptymalizowana warstwa powierzchniowa z drobnodyspersyjnymi wydzieleniami krzemu pierwotnego. Udział krzemu pierwotnego wynosi w niniejszym przykładzie 10%, średnica wydzieleń fazy pierwotnej 4,4 mm, zaś odstęp pomiędzy wydzieleniami krzemu pierwotnego wynosi 13 mm.

Z punktu widzenia wytrzymałości nowego tworzywa szczególne znaczenie ma związanie strefy B nasycenia dyfuzyjnego ze strukturą osnowy A. Na obrazie zgładu (fig.4) widać, że w strefie przejściowej C nie występują tlenki ani inne wady. Wynika to stąd, że strefa nasycenia dyfuzyjnego została utworzona quasi in situ ze struktury osnowy, wskutek czego w obszarach A, B powstało jednolite tworzywo o różnych składach.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Blok cylindrowy z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, składającą się z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz warstwy powierzchniowej, zawierającej drobnodyspersyjne wydzielenia krzemu pierwotnego, znamienny tym, że krzem pierwotnyskłada się z równomiernie rozłożonych, okrągłych ziaren ośredniej średnicy od 1do 10 mm, zaś warstwa powierzchniowa zawiera od 10 do 14% eutektyki AlSi, od 5 do 20% krzemu pierwotnego i resztę w postaci czystej fazy Al, przy czym minimalna twardość powierzchni wynosi 160 HV.
2. Blok według zastrz. 1, znamienny tym, że ziarna fazy krzemu pierwotnego są rozmieszczone w warstwie powierzchniowej w odstępie równym od 1do 5 średnic tychziaren.
3. Blok według zastrz. 1albo 2, znamienny tym, że krzem pierwotny jest osadzony wstopowej osnowie w strefie nasycenia dyfuzyjnego, mającej kształt pasa o szerokości conajmniej 2 mm i średniej grubości warstwy od 150 do 650 mm, przy czym pasy są ułożone spiralnie na powierzchni tocznej cylindra.
4. Blok według zastrz. 3, znamienny tym, że szerokość pasów wynosi od 2 do 4 mm.
5. Blok według zastrz. 3, znamienny tym, że przy kilku, umieszczonych obok siebie, strefach nasyceniadyfuzyjnego pasy tych stref zachodzą nasiebie, przy czym szerokość obszaru zachodzenia wynoiod 5 do 10%.
6. Blok cylindrowy z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, składającą się z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz warstwy powierzchniowej, zawierającej drobnodyspersyjne pierwotnewydzielenia krzemowe, znamienny tym, że warstwa powierzchniowa stanowi czystą warstwę dyfuzyjną, składającą się z bogatej w wydzielenia strefy nasycenia dyfuzyjnego oraz ubogich w wydzielenia stref brzegowych, przy czym wydzielenia mają postać równomiernie rozłożonych, okrągłych ziaren krzemu pierwotnego o średniej średnicyod 1 do 10 mm, zaś strefa nasycenia dyfuzyjnego zawiera od 10 do 14%

PL 193 699 B1 eutektyki AlSi, od 5 do 20% krzemu pierwotnego i resztę w postaci czystej fazy aluminiowej, przy czym minimalna twardość powierzchni wynosi 160 HV.
7. Sposób wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego, z co najmniej jedną, odporną na ścieranie i wykazującą optymalne własności trybologiczne, powierzchnią toczną, składającą się z osnowy ze stopu metalu lekkiego oraz zawierającej twardą substancję proszkową warstwy powierzchniowej, która w postaci drobnodyspersyjnych pierwotnych wydzieleń krzemowych jest osadzona w osnowie ze stopu lekkiego, przy użyciu sposobu grawitacyjnego, niskociśnieniowego lub odlewania ciśnieniowego oraz następującej po nich obróbki powierzchniowej za pomocą wiązki laserowej i, skierowanego równolegle do niej, strumienia proszku, znamienny tym, że wiązkę laserową w kształcie pasa o szerokości, wynoszącej co najmniej 2 mm w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu, prowadzi się nad powierzchnią osnowy z metalu lekkiego, zaś proszek nagrzewa się do temperatury topienia i wdyfundowuje dopiero w punkcie padania wiązki laserowej na powierzchnię osnowy z metalu lekkiego w czasie styku wynoszącym od 0,1 do 0,5 s.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że osnowę ze stopu z metalu lekkiego stapia się całkowicie w punkcie padania na głębokość co najmniej 350 mm i przeprowadza sięją na powierzchni w stan plazmy.
9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, żeze stopionego proszku tworzy się przy dyfuzji strefę nasycenia dyfuzyjnego o grubości warstwy równej od 500 do 1000 mm.
10. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że stosuje się proszek, który tuż przed dotarciem do stopowej osnowy ma strukturę ziarnistą, zaś nagrzewa się i wdyfundowuje dopiero w styku ze stopową osnową w obszarze wiązki laserowej w czasie styku wynoszącym od 0,1 do 0,5 s.
11. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że steruje się prędkością przesuwu wiązki laserowej tak, że dyfuzja stopowej osnowy zachodzi na głębokość od 350 do850 mm, poprzez powolne sterowane chłodzenie strefy nasycenia dyfuzyjnego otrzymuje się okrągłe fazy pierwotne, których średnica jest mniejsza niż 10 mm, zaś wzajemne odstępy wynoszą od 1do 5 średnic, oraz otrzymuje się wydzielenia faz twardych przy twardości warstwy od 110 do160 HV.
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosuje się prędkość przesuwu od 0,8 do 4,0 m na minutę przy zogniskowanej powierzchni padania wiązki laserowej od 1do 10 mm² i mocy światła laserowego od 3 do 4 kW.
13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że wiązkę laserową o liniowym ognisku obraca się spiralnie po wewnętrznej powierzchni pustego cylindra, przy czym dodaje się proszek Si, tworząc strefę nasycenia dyfuzyjnego, zawierającą krzem pierwotny w postaci pasów.
14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że strefę nasycenia dyfuzyjnego obrabia się na głębokość, wynoszącą średnio 750 mm.
15. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że twarde fazy strefy nasycenia dyfuzyjnego odsłania się w drodze obróbki mechanicznej, przy czym z warstwy wierzchniej zdejmuje się ilość materiału mniejszą niż 30% całkowitej grubości warstwy.
16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że strefę nasycenia dyfuzyjnego honuje się bezpośrednio, bez obróbki pośredniej.
17. Urządzenie do wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego, zwłaszcza do powlekania powierzchni tocznej pustego cylindra, składające się z doprowadzenia proszku, urządzenia laserowego i układu ogniskującego z lustrem kierującym, znamienne tym, że doprowadzenie (1) proszku i urządzenie laserowe (2) są prowadzone równolegle do siebie w promieniowym i osiowym kierunku pustego cylindra, układ ogniskujący (3) ma liniowy wylot wiązki o szerokości od 2,0 do 2,5 mm, zaś doprowadzenie (1) proszku jest zaopatrzone w urządzenie dozujące, za pomocą którego strumień objętościowy proszku jest regulowany w zależności od prędkości przesuwu wiązki laserowej.
18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że układ ogniskujący (3) ma ognisko o kształcie X, Ilub 8, którego górne i dolne strefy brzegowe mają większą podaż energii niż obszar środkowy.