PL197479B1

PL197479B1 - Sposób wytwarzania elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi

Info

Publication number: PL197479B1
Application number: PL350563A
Authority: PL
Inventors: Alexander Fischer; Joachim Kahn; Franz Josef Feikus
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US6858262B2; HUP0200880A2; KR20020038576A; ES2246315T3; PL350563A1; AU4242701A; US20020164436A1; CA2370657A1; CZ301527B6; BR0104705B1; BR0104705A; ATE299776T1; AU781334B2; MXPA01010919A; JP2003525351A; DE50106765D1; EP1173304A1; CZ20013857A3; EP1173304B1; WO2001064385A1

Abstract

1. Sposób wytwarzania elementu w kszta lcie cylindra, czesci cylindra lub pustego cylindra, z wprowadzonymi powierzchniowo sk ladnikami stopowymi, w którym to sposobie na powierzchni e detalu kieruje si e wi azk e energetyczn a o obszarze promieniowania liniowego, zwanym poni zej ogniskiem liniowym, w rezultacie czego topi si e powierzchni e detalu i do stopionej powierzchni doprowadza si e proszek twardej substancji lub proszek stopowy, znamienny tym, ze a) w strefie (12) padania wi azki energetycznej (23) wytwarza si e ograniczone lokalnie jeziorko p lynnego metalu z frontem (20) nagrzewania i topienia, stref a (21) rozpuszczania i frontem (22) krzepni ecia, b) z boku przed wi azk a energetyczn a (23) podaje si e za pomo- c a przeno snika w kierunku dzia lania si ly ci ezko sci proszek (24) substancji twardej i, koordynuj ac z posuwem (27) detalu, doprowa- dza si e go na szeroko sci (49), odpowiadaj acej szeroko sci (50) ogniska liniowego, wytwarzaj ac przy tym warstw e o wysoko sci (HP) od 0,3 do 3 mm, c) doprowadzon a do powierzchni detalu (25) ilo sc proszku (24) substancji twardej nagrzewa si e na froncie (20) nagrzewania jezior- ka p lynnego metalu wi azk a energetyczn a (23) o d lugo sci fali od 780 do 940 nm i w kontakcie z up lynnionym stopem osnowy rozpuszcza si e natychmiast podan a ilosc proszku (24) w jeziorku p lynnego metalu, d) za pomoc a wi azki energetycznej (23) o mocy w lasciwej wy- nosz acej co najmniej 10 4 W/cm 2 wytwarza si e konwekcj e (28) w strefie (21) rozpuszczania, przyspieszaj ac proces homogenizacji w strefie (12) topienia, ………………………………………………….. PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgtoszenta: 350563

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data z^głoszenta: ²¹ .⁰².200¹ (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

21.02.2001, PCT/EP01/01932 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

07.09.2001, WO01/64385 PCT Gazette nr 36/01 (51) lnt.CI.

B23K 26/34 (2006.01) C23C4/16 (2006.01

Sposób wytwarzania elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi

	(73) Uprawniony z patentu:
(30) Pierwszeństwo:	Hydro Aluminium Deutschland GmbH,Koln,DE
28.02.2000,DE,20003515.0 28.02.2000,DE,10009250.0	(72) Twórca(y) wynalazku:
	Alexander Fischer,Swisttal,DE
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Joachim Kahn,Ehringhausen,DE
16.12.2002 BUP 26/02	Franz Josef Feikus,Bonn,DE
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	(74) Pełnomocnik:
30.04.2008 WUP 04/08	Szlagowska-Kiszko Teresa, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

(57) 1i Sposób wytwarzania elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra, z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi, w którym to sposobie na powierzchnię detalu kieruje się wiązkę energetyczną o obszarze promieniowania liniowego, zwanym poniżej ogniskiem liniowym, w rezultacie czego topi się powierzchnię detalu i do stopionej powierzchni doprowadza się proszek twardej substancji lub proszek stopowy, znamienny tym, że

a) w strefie (12) padania wiązki energetycznej (23) wytwarza się ograniczone lokalnie jeziorko płynnego metalu z frontem (20) nagrzewania i topienia, strefą (21) rozpuszczania i frontem (22) krzepnięcia,

b) z boku przed wiązką energetyczną (23) podaje się za pomocą przenośnika w kierunku działania siły ciężkości proszek (24) substancji twardej i, koordynując z posuwem (27) detalu, doprowadza się go na szerokości (49), odpowiadającej szerokości (50) ogniska liniowego, wytwarzając przy tym warstwę o wysokości (HP) od 0,3 do 3 mm,

c) doprowadzoną do powierzchni detalu (25) ilość proszku (24) substancji twardej nagrzewa się na froncie (20) nagrzewania jeziorka płynnego metalu wiązką energetyczną (23) o długości fali od 780 do 940 nm i w kontakcie z upłynnionym stopem osnowy rozpuszcza się natychmiast podaną ilość proszku (24) w jeziorku płynnego metalu,

d) za pomocą wiązki energetycznej (23) o mocy właściwej wynoszącej co najmrnej W⁴ W/cm² w^ytwarza s^{ię k}onwe^kcj^ę (²⁸) w strefie (21) rozpuszczania, przyspieszając proces homogenizacji w strefie (12) topienia,...........................................................

PL 197 479 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi. Chodzi tu zwłaszcza o sposób, w którym na powierzchnię detalu kieruje się wiązkę energetyczną o obszarze promieniowania liniowego, zwanym poniżej ogniskiem liniowym, w rezultacie czego topi się powierzchnię detalu i do stopionej powierzchni doprowadza się proszek twardej substancji lub proszek stopowy.

Z międzynarodowego opisu patentowego nr WO 97/10067 znany jest sposób nakładania powłok na detale metalowe, w którym zawierający metal proszek topi się wiązką laserową, a następnie nanosi na powierzchnię metalowego detalu. Zgodnie z tym opisem proszek należy prowadzić współosiowo względem wiązki laserowej w obszarze stopienia i rozprowadzać na większej powierzchni w postaci śladów o szerokości od 0,1 do 1 mm.

Do realizacji znanego sposobu służy, przedstawione w WO 97/10067 w ramach korzystnego przykładu wykonania, urządzenie do doprowadzania proszku współosiowo względem głowicy ogniskującej wiązkę laserową, gdzie ruch odbywa się wzdłuż trzech osi. Z uwagi jednak na wymaganą technikę sterowania możliwość przemieszczania urządzenia jest ograniczona.

W przypadku przemysłowych urządzeń do nakładania powłok szerokość śladów wynosząca od 0,1 do 1 mm jest nieekonomiczna, zaś urządzenia poruszające się w trzech kierunkach są zbyt skomplikowane. Poza tym znane urządzenie nie pozwala na bezpośrednie powlekanie większych powierzchni, na przykład wewnętrznych powierzchni tocznych ścianek cylindrów.

W zakresie nakładania powłok na wewnętrzne powierzchnie toczne znane są urządzenia do obróbki powierzchni tocznych, składające się z obrotowego uchwytu do mocowania bloku cylindrowego, jednostki obróbki laserowej z głowicą emitującą, która to jednostka jest połączona z elementem doprowadzającym proszek, jednostką przekazującą do ustalania pozycji bloku cylindrowego przed jednostką obróbki laserowej, oraz napędem do przemieszczania jednostki przekazującej wzdłuż osi przekazywania.

Tego typu urządzenia do obróbki powierzchni tocznych podlegają wysokim wymaganiom w zakresie precyzji ustawienia elementów urządzenia oraz ich podatności na zużycie, ponieważ wytwarzane przy ich użyciu bloki silników wyposaża się później w wytwarzane oddzielnie tłoki, a z uwagi na koszty należy dążyć do zminimalizowania zakresu kosztownej obróbki wykańczającej.

Celem wynalazku jest opracowanie ekonomicznego, nadającego się do przemysłowego zastosowania, sposobu obróbki powierzchni w kształcie cylindrów lub części cylindrów, za pomocą którego można wytwarzać optymalny pod względem trybologicznym, nadający się do obróbki cieplnej półfabrykat w kształcie pustego cylindra. Sposób powinien zapewniać dużą dokładność wytwarzania i szerokie możliwości regulacji różnych parametrów procesu.

Sposób wytwarzania elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra, z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi, w którym to sposobie na powierzchnię detalu kieruje się wiązkę energetyczną o obszarze promieniowania liniowego, zwanym poniżej ogniskiem liniowym, w rezultacie czego topi się powierzchnię detalu i do stopionej powierzchni doprowadza się proszek twardej substancji lub proszek stopowy, odznacza się według wynalazku tym, że

a) w strefie padania wiązki energetycznej wytwarza się ograniczone lokalnie jeziorko płynnego metalu z frontem nagrzewania i topienia, strefą rozpuszczania i frontem krzepnięcia,

b) z boku przed wiązką podaje się za pomocą przenośnika w kierunku działama siły ciężkości proszek substancji twardej i, koordynując z posuwem detalu, doprowadza się go na szerokości odpowiadającej szerokości ogniska liniowego, wytwarzając przy tym warstwę o wysokości od 0,3 do 3 mm,

c) doprowadzoną, do powierzchni deealu iiość proszku substancji twardej nagrzewa się na froncie nagrzewania jeziorka płynnego metalu wiązką energetyczną o długości fali od 780 do 940 nm i w kontakcie z upłynnionym stopem osnowy rozpuszcza się natychmiast podaną ilość proszku w jeziorku płynnego metalu,

d) za pomocą wiązki energetycznej o mocy właściwej wynoszącej co naamniej 10⁴ W/cm²twarza się konwekcję w strefie rozpuszczania, przyspieszając proces homogenizacji w strefie topienia,

e) przy czym działa się ogniskiem ilniowym na sltrefę rozpuszczania tak długo, aż proszek substancji twardej zostanie równomiernie rozprowadzony w jeziorku płynnego metalu,

PL 197 479 B1

f) proszek, rozprowadzony równomiernie przed wiązką energetyczną, który w strefie rozpuszczania przechodzi metalurgicznie w roztwór, poddaje się kierowanemu krzepnięciu na froncie krzepnięcia przy dużej szybkości chłodzenia od 200 do 600 K/s i prędkości posuwu od 500 do 10000 mm/min.

Korzystnie jako proszek substancji twardej w etapach b) - f) sposobu stosuje się proszek krzemowy o średnicy ziarna od 40 do 90 μ m.

Korzystnie wiązkę energetyczną dzieli się przed strefą padania, przy czym pierwszy strumień częściowy kieruje się do strefy nagrzewania i strefy topienia, drugi zaś za frontem krzepnięcia do cieplnej obróbki struktury.

Korzystnie dla sterowania strukturą wydzieleń drugi strumień częściowy kieruje się na powierzchnię detalu za frontem krzepnięcia przy mocy właściwej < 1 KW/mm².

Korzystnie czas oddziaływania wiązki energetycznej w stopionym metalu, niezbędny do rozpuszczenia i jednorodnego rozkładu wydzielonych pierwotnie faz Si, wynosi od 0,01 do 1 s.

Korzystnie do formowania wiązki energetycznej stosuje się laser diodowy o mocy > 3 KW ze zmiennym układem optycznym do regulacji szerokości ogniska liniowego od 4 do 15 mm.

Korzystnie przed rozpoczęciem i na zakończenie procesu nakładania powłoki redukuje się wiązkę energetyczną i ilość proszku na szerokości ogniska liniowego w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu.

Korzystnie detal ma postać pustego cylindra i podczas nakładania powłoki obraca się go w pozycji leżącej wokół wiązki energetycznej, przy czym wiązka energetyczna, stała w odniesieniu do kierunku obrotów, wykonuje podczas obrotu ciągły ruch posuwowy w kierunku osi obrotów celem wytworzenia powierzchniowej strefy stopowej.

Korzystnie na początku wprowadzania składników stopowych wiązce energetycznej nadaje się postać punktową i powiększa się ją w sposób ciągły wraz z ilością proszku do chwili, gdy po obrocie detalu osiągnie ona pełną szerokość ogniska liniowego.

Korzystnie po zakończeniu wprowadzania składników stopowych, w trakcie ostatniego obiegu detalu, szerokość ogniska liniowego i ilość proszku redukuje się w sposób ciągły do zera.

Korzystnie obrabia się pusty cylinder ze stopów Al lub Mg o średnicy otworu od 60 do 120 mm na głębokość do 200 mm.

W licznych próbach stwierdzono, że wysoka dokładność i mniejszą podatność na zużycie urządzenia do obróbki powierzchni tocznych i części produkowanych z jego zastosowaniem osiąga się wówczas, gdy

1. płaszczyzna mocowania uchwytu jest równoległa do kierunku promieniowania jednostki obróbki laserowej,

2. jednostka obróbki laserowej jest przesuwna prostopadle do płaszczyzny mocowania uchwytu 1, przy czym kierunek promieniowania, prostopadły do osi przekazywania, jest ustawiony pod kątem α < 45° względem wektora siły ciężkości, oraz

3. element doprowadzający proszku wchodzi albo bezpośrednio w kierunek promieniowania jednostki obróbki laserowej, albo (patrząc w kierunku posuwu) kończy się tuż przed strefą 12 padania promieni.

Z punktu widzenia niskich kosztów eksploatacji urządzenia do obróbki powierzchni tocznych korzystne jest, jeżeli jednostka obróbki laserowej składa się z kilku urządzeń emitujących lub jednego urządzenia o dzielonej wiązce, które wprowadza się w otwór cylindra, przy czym na ściance cylindra jest jedna za drugą (patrząc w kierunku osi cylindra) kilka stref obróbki.

Ponadto można zwiększyć zdolność produkcyjną urządzenia do obróbki powierzchni tocznych, jeżeli element doprowadzający 5 proszek składa się z kilku elementów podających, których liczba odpowiada liczbie stref obróbki i które wprowadza się w otwór cylindra, przy czym otwory podające są umieszczone jeden za drugim (patrząc w kierunku osi cylindra).

Sposób według wynalazku polega na kombinacji:

a) ogniska liniowego o szerokości linii w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu powyżej 4 mm,

b) wiązki wysokoenergetycznej o długości fali pomiędzy 780 i 940 nm oraz

c) podawania proszku w pozycji leżącej w połączeniu z wkładem energii na jednostkę powerzctim w Hości ⁵⁰⁰⁰ - ^{600000 W/}cm².

Do sterowanego rozkładu ziaren Si i tworzenia faz pierwotnych krzemu o średnicach kryształów do 80 um w krzepnącej eutektycznie pozostałości stopionego metalu przyczynia się

d) szybkość chłodzenia równa 200 - 600 K/s.

PL 197 479 B1

Etap e) sposobu oznacza, że twarda substancja, na przykład krzem, musi ulec całkowitemu rozpuszczeniu w stopionym metalu.

Czas trwania zależy od mocy właściwej lasera. Jeżeli ognisko liniowe działa zbyt długo, wówczas tworzą się pory wskutek odparowywania aluminium względnie stopu osnowy, zaś twarde substancje mogą ulegać zbrylaniu.

Prędkość posuwu powinna według etapu f) sposobu leżeć poniżej 10000 mm/min, w przeciwnym razie bowiem energia wejściowa nie wystarczy dla wejścia twardej substancji do stopionego metalu. Przy zadanej mocy wiązka laserowa powinna być wprowadzana w osnowę przy wykorzystaniu od 40 do 60% tej energii.

Przy zbyt dużej szybkości chłodzenia > 600 K/s czas rozpuszczania jest niewystarczający dla twardej substancji, natomiast poniżej 200 K/s w strefie stopowej powstają pęknięcia, ponieważ zbyt dużo twardej substancji przechodzi do roztworu.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku można wykorzystać kilka jednostek emitujących energię jako dalsze parametry do sterowania własnościami struktury przy użyciu zmiennych przestrzennie szybkości chłodzenia.

W ten sposób można ustalać zróżnicowane przestrzennie twardości powierzchniowe, które pozwalają na czysto mechaniczną dalszą obróbkę oraz obróbkę finalną. Jeżeli twardość powierzchniowa jest większa niż 160 HV, wówczas można prowadzić honowanie przy użyciu diamentowego narzędzia, bez zaciągania powierzchni. Można przy tym w następnej operacji roboczej odsłaniać w sposób czysto mechaniczny pierwotne kryształy krzemu lub inne substancje twarde o średnicy > 1 ąm, zdejmując z powierzchni warstwę < 1 ąm.

W korzystnym przykładzie wykonania ognisko liniowe należy kierować w postaci podwójnego śladu (w odniesieniu do kierunku posuwu) do powierzchni, w którą wprowadza się składniki stopowe, co pozwala na przeprowadzenie częściowej obróbki cieplnej w drodze hartowania, rekrystalizacji, wydłużenia czasu wydzielania, homogenizacji i powiększania faz wydzieleniowych.

W innym korzystnym przykładzie zastosowania również proszek można nanosić w postaci podwójnego śladu, co z kolei pozwala na uzyskanie różnych składów i zróżnicowanie nanoszonych ilości, na przykład celem uzyskania gradientów materiałowych o sterowanym składzie stopu.

Do włączania i wyłączania urządzenia do nakładania powłok można korzystnie stosować regulowaną przesłonę, służącą do zwiększania lub zmniejszania szerokości ogniska liniowego w kierunku posuwu.

W przeciwieństwie do urządzenia do nakładania powłok, znanego z niemieckiego opisu patentowego nr DE 198 17 091 Al (NU TECH/VAW motor GmbH) stosuje się tutaj poruszaną jednoosiowo jednostkę emitującą wiązkę energetyczną oraz przemieszczany wieloosiowo element. Szczególnie korzystny jest przy tym fakt, że prędkość obrotów detalu jest zmienna, co pozwala uzyskiwać strukturę gruboziarnistą (w wyniku powolnego obrotu) względnie strukturę drobnoziarnistą (w wyniku szybszego obrotu) przy jednakowym wkładzie energii.

Jak już wspomniano, do stopowania różnych rodzajów stopów można zastosować podwójny ślad. Za pomocą odpowiednio ukształtowanych dysz szczelinowych proszek można podawać na powierzchnię detalu jednostopniowo (jeden strumień proszku) lub wielostopniowo (kilka strumieni proszku). Szerokość ogniska liniowego wynosi co najmniej 4 mm, korzystnie 5 do 15 mm.

Szczególna cecha sposobu według wynalazku polega na tym, że dzięki zmianie prędkości posuwu i/lub energii podawanej na jednostkę powierzchni można uzyskiwać zmienne głębokości wnikania pomiędzy 100 i 2500 ąm. Celem lepszego wprowadzenia wiązki stosuje się korzystnie laser diodowy o zakresie długości fal od 780 do 940, który to laser w połączeniu z uprzednio naniesionym proszkiem substancji twardej, zwłaszcza proszkiem krzemowym lub zawierającym krzem, pozwala osiągnąć bardzo intensywne wnikanie ciepła w głąb elementu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do obróbki powierzchni tocznych w trakcie obróbki bloku cylindrowego, w przekroju poprzecznym, fig. 2 - urządzenie do obróbki powierzchni tocznych w trakcie wjeżdżania w jednorzędowy 4-cylindrowy blok silnika, w przekroju wzdłużnym, fig. 3 do 5 - fragment X z fig. 2 w powiększeniu, fig. 6 - przekrój analogiczny do fig. 1 z głowicami emitującymi, fig. 7 - schemat wyjaśniający sposób wytwarzania według wynalazku, fig. 8 - urządzenie do obróbki powierzchni tocznych z doprowadzeniem proszku nad wibracyjnym podajnikiem rynnowym, w przekroju wzdłużnym, fig. 9 przekrój poprzeczny wzdłuż AA z fig. 8, fig. 10 - fragment Y z fig. 8 w powiększeniu, fig. 11 - schemat przenośnika ślimakowego analogiczny do fig. 1.

PL 197 479 B1

Na fig. 1 blok cylindrowy 2 4-cylindrowego silnika jednorzędowego jest tak zamocowany w uchwycie 1, że wzdłużna oś silnika jednorzędowego jest ustawiona w kierunku wektora siły ciężkości.

Jednostka 3 obróbki laserowej wchodzi głowica emitująca 4 w otwór bloku cylindrowego 2. Głowica emitująca jest przesuwna w kierunku osi 10 przekazywania (prostopadle do płaszczyzny rysunku).

Z głowicy emitującej 4 w kierunku działania siły ciężkości wychodzi wiązka laserowa, która w strefie 12 pada na powierzchnię ścianki cylindra i tworzy tam strefę 11 nagrzewania, strefę 12 topienia i strefę 13 krzepnięcia.

W obszarze strefy padania promieni znajduje się również końcówka elementu doprowadzającego 5 proszek, za pomocą którego strumień 9 proszku jest nanoszony albo bezpośrednio w kierunku promieniowania, albo - patrząc w kierunku posuwu - tuż przed punktem padania promieni laserowych na obrabianą ściankę cylindra. Nanoszenie proszku pozwala oddziaływać na własności struktury zarówno od strony stopu, jak też kształtowania samej struktury. Dokonuje się tego na przykład za pomocą rodzaju i ilości doprowadzanego proszku.

W nie przedstawionym wariancie do otworu cylindra można jednocześnie wprowadzić kilka elementów doprowadzających proszek. Również obróbka laserowa może być prowadzona jednocześnie przy użyciu kilku głowic.

Na fig. 2 ukazane jest urządzenie według wynalazku do obróbki powierzchni tocznych 4-cylindrowego silnika jednorzędowego. Widać tutaj blok cylindrowy 2 w przekroju wzdłużnym - czyli prostopadle do płaszczyzny rysunku na fig. 1. Uchwyt 1 jest umieszczony na stole 1 do mocowania i obrotowym talerzu, połączonym z napędem 6 do przemieszczania jednostki przekazującej wzdłuż osi 10 przekazywania.

Kierunek 6a strzałki wskazuje, w którym kierunku blok 2 silnika jest obracany podczas obróbki. Istotny jest przy tym fakt, że element doprowadzający 5 proszek jest usytuowany przed głowicą laserową 4, jak widać na fig. 2, fragment X.

Za pomocą wrzeciona 7 realizowany jest ruch wprowadzający głowicę laserową 4 do otworu cylindra. Równoległość osi otworu cylindra i osi 10 obrotu jest istotna dla zachowania tolerancji wykonawczych. Równoległość tę zapewniają prowadnice sankowe 7a, 7b, na których jednostka 3 obróbki laserowej jest wsuwana za pomocą odpowiednich przeciwprowadnic do bloku cylindrowego 2 i z niego wysuwana.

Na fig. 3 do 5 przedstawiona jest ponownie, tym razem w powiększeniu, strefa 9/11 nagrzewania, strefa 12 topienia i strefa 13 krzepnięcia. Wielkość poszczególnych stref względnie obszarów można regulować za pomocą prędkości obrotów bloku cylindrowego 2, ruchu jednostki przekazującej wzdłuż osi 10 przekazywania oraz liczby jednostek obróbki laserowej względnie jednostek emitujących promieniowanie oraz elementów doprowadzających proszek.

Podczas gdy na fig. 3 widoczna jest tylko jedna plamka 8 dla pojedynczej głowicy laserowej 4, na fig. 4 ukazane są dwie plamki 8a, 8b. W tym celu jednostka obróbki laserowej jest wyposażona w dwa elementy emitujące.

Na fig. 5 przedstawiony jest podwójny ślad z dwiema przesuniętymi względem siebie plamkami 8a, 8b i dwiema strefami topienia i krzepnięcia, 12, 13. Wariant ten wymaga wielokrotnego doprowadzania proszku, jakie zostało przedstawione na fig. 6. Odnośnikiem 9/11 opatrzone jest doprowadzenie proszku w strefie grzania wstępnego. Ponieważ głowice emitujące 4.1 i 4.2 można przechylać, podane są kąty nachylenia α 1 i α,.

Na fig. 7 przedstawiony jest schematycznie sposób według wynalazku, przeznaczony do wytwarzania stopowanego powierzchniowo elementu w kształcie cylindra lub jego części. Sposób ten polega na tym, że najpierw na powierzchnię detalu kieruje się wiązkę energetyczną o obszarze promieniowania liniowego, zwanym poniżej ogniskiem liniowym. Powierzchnia detalu ulega przy tym stopieniu, po czym do stopionej powierzchni doprowadza się proszek twardej substancji lub proszek stopowy.

Jak widać na fig. 7, w strefie padania wiązki energetycznej powstaje lokalnie ograniczone jeziorko płynnego metalu z frontem 20 nagrzewania i topienia, strefą 21 rozpuszczania względnie przetopu i frontem 22 krzepnięcia.

Z boku wiązki energetycznej 23 na powierzchnię elementu 26 nanosi się w kierunku siły ciężkości proszek 24. Ilość proszku 24 koordynuje się z posuwem 27 detalu lub elementu 26, przy czym szerokość strumienia proszku w kierunku poprzecznym do płaszczyzny rysunku na fig. 7 odpowiada w przybliżeniu szerokości wiązki energetycznej 23 (również mierzonej w kierunku poprzecznym do płaszczyzny rysunku).

PL 197 479 B1

Na fig. 7 widać, w jaki sposób ilość proszku, doprowadzona do powierzchni detalu, nagrzewa się na froncie nagrzewania i topienia, a następnie najpóźniej w wiązce energetycznej 23 ulega rozpuszczeniu w jeziorku płynnego metalu. Próby pokazały, że przy długości fal od 780 do 940 nm wiązka energetyczna jest optymalnie wprowadzana w metaliczną osnowę, ale również proszek ulega optymalnemu i szybkiemu nagrzaniu i w kontakcie z upłynnioną osnową stopową rozpuszcza się w płynnym metalu.

Jak zaznaczono strzałkami 28 na fig. 7, w strefie rozpuszczania występuje konwekcja, co powoduje przyspieszenie procesu homogenizacji w strefie stopionej. Jest to możliwe dzięki wiązce energetycznej o mocy właściwej równej co najmniej 10⁴ W/cm2 Na zdjęciach zgładów widać, że proszek twardej substancji względnie proszek stopowy zostaje równomiernie rozprowadzony w stopionym metalu jedynie wówczas, gdy ognisko liniowe wystarczająco długo oddziałuje na strefę rozpuszczania. Dokładne wartości można wyznaczyć doświadczalnie.

Proszek, rozpuszczony równomiernie w płynnym metalu poddaje się następnie kierunkowemu krzepnięciu w strefie krzepnięcia przy szybkości chłodzenia na froncie 22 krzepnięcia od 200 do 600 K/s, przy czym prędkość posuwu wynosi pomiędzy 500 i 10000 mm/min. W jednym z wariantów sposobu według wynalazku proszek podaje się na powierzchnię elementu w strumieniu gazu, w związku z czym dzięki energii kinetycznej określona ilość proszku może wnikać w strefę topienia.

Dalsze próby pokazały, że wiązka energetyczna jest korzystnie dzielona przed strefą padania na powierzchnię, przy czym pierwszy strumień częściowy jest kierowany do strefy nagrzewania i topienia, drugi zaś za frontem krzepnięcia do cieplnej obróbki struktury. Sposób ten pozwala sterować procesem kształtowania struktury. Urządzenie do realizacji sposobu jest przedstawione na fig. 6.

Innego typu sterowanie strukturą jest możliwe wówczas, gdy wiązka energetyczna, skierowana na powierzchnię detalu, ma moc właściwą < 1 KW/mm². Okazało się przy tym, że czas oddziaływania wiązki energetycznej w stopionym metalu, niezbędny do rozpuszczenia i jednorodnego rozkładu faz substancji twardej lub faz międzymetalicznych wynosi od 0,01 do 1 s.

Wymienione wymagania spełnia laser diodowy o mocy > 3 KW, mający regulowaną szerokość ogniska liniowego. Pozwala on przed rozpoczęciem i na zakończenie procesu nakładania powłoki zredukować szerokość ogniska liniowego wiązki energetycznej w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu. Analogicznie można również sterować ilością proszku, w związku z czym przy obróbce powierzchniowej stwierdzono jedynie nieznaczne nadmiary doprowadzanej ilości proszku względnie dostarczanej energii.

Jeżeli detal ma postać pustego cylindra, wówczas powinien on korzystnie obracać się w położeniu poziomym wokół wiązki energetycznej, wskutek czego wiązka ta, stała w odniesieniu do kierunku obrotów, wykonuje podczas obrotu ciągły ruch posuwowy w kierunku osi obrotów celem wytworzenia powierzchniowej strefy stopowej. Jest to widoczne na objaśnionych poniżej fig. 8 do 11, ukazujących stół obrotowy 31, uchwyt 32 oraz blok 33 silnika z otworem 34 cylindra.

Za pomocą wibracyjnego podajnika rynnowego 30 lub przenośnika ślimakowego 38 proszek podaje się z zasobnika 41 do otworu 34 cylindra. Nagromadzona wstępnie warstwa 35 proszku ma wysokość HP, przy czym wibracyjny podajnik rynnowy 30 znajduje się w odstępie HA nad leżącym poziomo cylindrem. W wibracyjnym podajniku rynnowym 30 osiągana jest wysokość HF proszku.

Wibracyjny podajnik rynnowy 30 ma element wzbudzający 40 o częstotliwości f. Ponadto na wibracyjnym podajniku rynnowym 30 umieszczony jest element sprzęgający 42 do wytwarzania wibracji.

Za pomocą lasera diodowego 43 i układu optycznego 44 lasera zmienia się kierunek wiązki energetycznej, ogniskuje się ją i kieruje na otwór cylindra. Wibracyjny podajnik rynnowy 30 i laser diodowy 43 są zamocowane na płycie montażowej 46, spoczywającej na suporcie 45. Suport 45 można za pomocą napędu liniowego wsuwać w otwór 34 cylindra i z niego wysuwać. Jest to zaznaczone podwójną strzałką na fig. 8.

Zgodnie z fig. 9 średnica 47 układu optycznego lasera jest tak dobrana, że w otworze 34 cylindra pozostaje jeszcze miejsce na wibracyjny podajnik rynnowy 30. Ponieważ cylinder obrabia się w pozycji leżącej, wiązka laserowa wychodzi z układu optycznego 44 lasera do dołu, przy czym na ściance cylindra odznacza się ślad wiązki laserowej o szerokości 50. Obok śladu lasera znajduje się wstępnie zgromadzony proszek o szerokości 49. Odnośnikiem 48 oznaczona jest średnica otworu cylindra.

Do realizacji sposobu opracowano urządzenia, które nadają się do przemysłowej obróbki detali i elementów. Urządzenie z fig. 8 składa się z uchwytu 32, na którym za pomocą otworów ustalających i/lub obrabianych powierzchni ustawia się i mocuje blok 33 silnika. Na obrabiane powierzchnie wsuwa

PL 197 479 B1 się wzdłuż osi cylindra urządzenia emitujące wiązkę energetyczną, kierując ich ogniskowane głowice i doprowadzenie proszku na obrabiane powierzchnie. Szczególnie korzystne okazało się rozwiązanie, w którym wiązkę energetyczną wsuwa się w detal, umieszczony na obrotowym stole 31 z uchwytem 32, przy czym wiązkę energetyczną w postaci liniowego ogniska kieruje się z optycznego układu 44 lasera diodowego na obracający się w pozycji leżącej detal, na przykład blok 33 silnika.

Jeżeli na obrabianą powierzchnię obracającego się w pozycji leżącej detalu skieruje się kilka, przesuniętych względem siebie, jednostek emitujących wiązki energetyczne, wówczas każda z jednostek powinna omiatać obrabianą powierzchnię kolejnymi rzędami. W ten sposób powstaje powierzchniowa strefa stopowa, której wymiary zależą od ogranicznika urządzenia i/lub obrotowego ruchu elementu.

Korzystnie jednostki emitujące wiązki energetyczne omiatają jednocześnie kilka rzędów obrabianej powierzchni. Powoduje to skrócenie czasu obróbki i zwiększa równomierność obrobionych powierzchni.

Poniżej omówione jest doprowadzanie proszku, alternatywne względem doprowadzania, przedstawionego na fig. 1 do 6 i realizowanego za pomocą jednej lub kilku dysz. Chodzi przy tym o doprowadzanie proszku za pomocą przenośnika ślimakowego lub urządzenia wibracyjnego, co jest szczególnie korzystne w przypadku wysokich temperatur i wąskich otworów cylindrów.

Wypromieniowywanie ciepła przy wysokich mocach laserów jest bardzo intensywne, w związku z czym typowe materiały, jakie stosuje się na dysze, umieszczone w pobliżu strefy padania wiązki laserowej, nie wytrzymują tak wysokich temperatur lub ulegają erozji. Ponadto proszek podawany przez dysze pozostaje pod dużym ciśnieniem i silnie oddziałuje na przepływ gazu wewnątrz obrabianego otworu cylindra. Wraz z przepływem gazu zmienia się poziom temperatury i gęstość gazu ochronnego, w związku z czym efektywność lasera podlega silnym wahaniom.

Za pomocą wibracyjnego podajnika rynnowego 30 można znacznie lepiej sterować tymi parametrami. Poziom temperatury i atmosfera gazu ochronnego nie ulegają zakłóceniom przy doprowadzaniu proszku na przenośniku ślimakowym lub podajniku rynnowym. Na podajnik rynnowy można zastosować materiały o wysokiej wytrzymałości i odporne na temperaturę, dzięki czemu nawet długotrwałe oddziaływanie temperatury nie wywoła żadnych zjawisk zmęczeniowych lub efektów erozyjnych.

Obróbka otworu 34 cylindra w położeniu leżącym przy doprowadzaniu proszku za pomocą przenośnika wstrząsowego jest szczególnie efektywna, jeżeli odbywa się ona sposobem według wynalazku z udziałem wstępnie zgromadzonej warstwy proszku o wysokości HP.

Oczywiście można również zastosować inne urządzenia transportowe, jak na przykład przenośniki ślimakowe, przenośniki taśmowe lub tym podobne.

W porównaniu do doprowadzania proszku przy użyciu dyszy mają one tę zaletę, że pozwalają na dokładne dopasowanie szerokości śladu do szerokości ogniska liniowego oraz dokładną regulację wysokości względnie grubości warstwy pomiędzy 0,3 i 3 mm.

Aby można było dokładnie sterować dozowaniem proszku, w obszarze strefy nanoszenia umieszczone są korzystnie mechaniczne zgarniacze lub szczotki. Pozwalają one na dowolne sterowanie ilością materiału w odniesieniu do wysokości i szerokości. Korzystnie grubość warstwy nasypywanego proszku należy utrzymywać w przedziale od 0,3 do 3 mm, przy czym większa grubość warstwy wymaga zwiększenia gęstości energii lasera.

Istotny czynnik wprowadzania energii lasera w proszek stanowi rozkład jego ziarna i kształt kryształów.

Celem prowadzenia sposobu na skalę przemysłową opracowany został laser diodowy 43 z układem optycznym 44 lasera, który w odniesieniu do kierunku obrotów elementu jest osadzony na stałe wewnątrz obrotowego, połączonego z jednostką napędową, uchwytu 32. Laser diodowy z układem optycznym jest za pomocą suportu 45 wsuwany wraz z elementem doprowadzającym proszek, umieszczonym obok wiązki energetycznej, do otworu 34 cylindra. Proszek można również gromadzić na powierzchniach zwróconych ku wiązce. Jak widać na fig. 8, odbywa się to za pomocą podajnika rynnowego 30, roztrząsającego luźno proszek w kierunku działania siły ciężkości. Powstaje wówczas wstępnie zgromadzona warstwa 35 proszku, przy czym na fig. 9 podana jest wyjściową wysokość HA podajnika rynnowego.

Celem wytwarzania spiralnych lub innych geometrycznych prowadnic ogniska liniowego jednostka napędowa dla obrotowego stołu 31 powinna umożliwiać zmianę liczby obrotów. Suport 45 lasera diodowego 43 i element doprowadzający proszek w kierunku osi obrotu można przy tym łączyć z prędkością obrotową bloku 33 silnika.

PL 197 479 B1

Na fig. 10 i 11 wibracyjny podajnik rynnowy 30 względnie przenośnik ślimakowy 38 powodują ułożenie proszku na wysokości HP, przy czym odstęp względem przenośnika oznaczony jest odnośnikiem HA. W otworze 34 cylindra mieści się układ optyczny 44 lasera o średnicy 48 i oba elementy są przemieszczane na suporcie 45 w kierunku strzałki.

Przy użyciu opisanego sposobu można wytwarzać elementy w kształcie cylindra lub części cylindra, zwłaszcza cylindra pustego z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi. Składają się one z osnowy w postaci odlewniczego stopu aluminium oraz sięgającej aż do powierzchni elementu strefy wydzieleniowej z podstawowego stopu aluminium z wydzieleniami faz twardych. Pomiędzy osnową i strefą wydzieleniową leży przesycona pierwotnymi fazami twardymi, strefa eutektyczna (strefa przesycona), przy czym wzrost twardości od osnowy do powierzchni elementu jest stopniowy. Szczególnie korzystne własności można osiągnąć, gdy stop osnowy typu AlSiCu lub AlSiMg jest stopem podeutektycznym, zaś w przesyconej, eutektycznej strefie przejściowej występuje stop typu AlSi z drobnymi wydzieleniami pierwotnych faz krzemu o wielkości kryształów poniżej 1 ąm, natomiast w strefie wydzieleniowej znajdują się pierwotne fazy krzemowe o wielkości kryształów od 2 do 20 ąm. Wówczas wzrost twardości w kierunku powierzchni elementu może osiągnąć ponad 200%.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra, z wprowadzonymi powierzchniowo składnikami stopowymi, w którym to sposobie na powierzchnię detalu kieruje się wiązkę energetyczną o obszarze promieniowania liniowego, zwanym poniżej ogniskiem liniowym, w rezultacie czego topi się powierzchnię detalu i do stopionej powierzchni doprowadza się proszek twardej substancji lub proszek stopowy, znamienny tym, że

a) w strefie (12) padania wiązki energetycznej (23) wytwarza się ograniczone lokalnie jeziorko płynnego metalu z frontem (20) nagrzewania i topienia, strefą (21) rozpuszczania i frontem (22) krzepnięcia,

b) z boku przed wiązką energetyczną (23) podaje się za pomocą przenośnika w kierunku działania siły ciężkości proszek (24) substancji twardej i, koordynując z posuwem (27) detalu, doprowadza się go na szerokości (49), odpowiadającej szerokości (50) ogniska liniowego, wytwarzając przy tym warstwę o wysokości (HP) od 0,3 do 3 mm,

c) doprowadzoną do powierzchni detalu (25) ilość proszku (24) substancji twardej nagrzewa się na froncie (20) nagrzewania jeziorka płynnego metalu wiązką energetyczną (23) o długości fali od 780 do 940 nm i w kontakcie z upłynnionym stopem osnowy rozpuszcza się natychmiast podaną ilość proszku (24) w jeziorku płynnego metalu,

d) za pomocą wiązki energetycznej (23) o mocy właściwej wynoszącej co najmniej 10⁴ W/cm²wytwarza się konwekcję (28) w strefie (21) rozpuszczania, przyspieszając proces homogenizacji w strefie (12) topienia,

e) przy czym działa się ogniskiem liniowym na strefę (21) rozpuszczania tak długo, aż proszek (24) substancji twardej zostanie równomiernie rozprowadzony w jeziorku płynnego metalu,

f) proszek (24), rozprowadzony równomiernie przed wiązką energetyczną (23), który w strefie (21) rozpuszczania przechodzi metalurgicznie w roztwór, poddaje się kierowanemu krzepnięciu na froncie (22) krzepnięcia przy dużej szybkości chłodzenia od 200 do 600 K/s i prędkości posuwu od 500 do 10000 mm/min.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako proszek (24) substancji twardej w etapach b) - f) sposobu stosuje się proszek krzemowy o średnicy ziarna od 40 do 90 ąm.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązkę energetyczną (23) dzieli się przed strefą (12) padania, przy czym pierwszy strumień częściowy kieruje się do strefy (11) nagrzewania i strefy (12) topienia, drugi zaś za frontem (22) krzepnięcia do cieplnej obróbki struktury.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że dla sterowania strukturą wydzieleń drugi strumień częściowy kieruje się na powierzchnię (25) detalu za frontem (22) krzepnięcia przy mocy właściwej < ^{1 KW/}mm².
5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że czas oddziaływania wiązki energetycznej (23) w stopionym metalu, niezbędny do rozpuszczenia i jednorodnego rozkładu wydzielonych pierwotnie faz Si, wynosi od 0,01 do 1 s.

PL 197 479 B1
6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że do formowania wiązki energetycznej (23) stosuje się laser diodowy (43) o mocy > 3 KW ze zmiennym układem optycznym (44) do regulacji szerokości (50) ogniska liniowego od 4 do 15 mm.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że przed rozpoczęciem i na zakończenie procesu nakładania powłoki redukuje się wiązkę energetyczną (23) i ilość proszku (24) na szerokości (50) ogniska liniowego w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu.
8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że detal (2, 26, 33) ma postać pustego cylindra i podczas nakładania powłoki obraca się go w pozycji leżącej wokół wiązki energetycznej (23), przy czym wiązka energetyczna (23), stała w odniesieniu do kierunku obrotów, wykonuje podczas obrotu ciągły ruch posuwowy (27) w kierunku osi (10) obrotów celem wytworzenia powierzchniowej strefy stopowej.
9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że na początku wprowadzania składników stopowych wiązce energetycznej (23) nadaje się postać punktową i powiększa się ją w sposób ciągły wraz z ilością proszku (24) do chwili, gdy po obrocie detalu (2, 26, 33) osiągnie ona pełną szerokość (50) ogniska liniowego.
10. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że po zakończeniu wprowadzania składników stopowych, w trakcie ostatniego obiegu detalu (2, 26, 33), szerokość (50) ogniska liniowego i ilość proszku (24) redukuje się w sposób ciągły do zera.
11. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że obrabia się pusty cylinder ze stopów Al lub Mg o średnicy (48) otworu od 60 do 120 mm na głębokość do 200 mm.