SE463213B - Anordning och foerfarande foer att foerse ett metallsubstrat med en stoetbestaendig yta - Google Patents

Description

4633 215 Som antytts ovan finns en riklig patentflora inom denna teknologi, av vilka några av de mest relevanta torde vara DE-1 521 372, FR-2 575 185, GB-1 587 235, US-4 004 042, US-4 281 030, US-4 299 860, US-4 300 474, och US-4 644 127. Faktum är att den föreliggande uppfinningen utgör en utveckling och förbättring av den uppfinning som beskrivs i US-4 299 860. Föremålet för det nämnda paten- tet diskuteras ytterligare från en mer vetenskaplig synvinkel i en artikel i "Journal of Metals", augusti 1981, sidorna 19-23.

En utvärdering av förfarandet enligt det nämnda patentet utfördes av en grupp vid Högskolan i Luleå och publicera- des i "Teknisk Rapport" 1986:11 T, STU-projekt 82-4237, 83-3959, 84-4277.

I detta patent beskrivs ett förfarande för härdning genom impregnerig av ytan på ett metallsubstrat med nötnings- beständiga partiklar. Substratytan utsätts för en hög- effektlaserstråle som rör sig relativt ytan för att åstadkomma lokal smältning av denna då strålen rör sig över ytan, varpå hårda, nötningsbeständiga partiklar med kraft sprutas in i smältan. Partiklarna infångas vid solidifiering av smältpölen och kvarhålles däri genom metallurgisk bindning.

Det är önskvärt att uppnå ungefär 50% pulver tillblandat till substratytan för att denna skall bli tillräckligt hård.

Experiment för att försöka reproducera resultaten som hävdas i det nämnda patentet har visat att det är mycket svårt att uppnå ytor med tillräckligt hög partikelhalt.

I US-4 299 860 sägs att processen företrädesvis skall utföras i en vakuumkammare, vilket naturligtvis är en 463 215 avsevärd nackdel när förfarandet skall implementeras för industriellt bruk.

Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är därför att förbättra det tidigare kända förfarandet så att höga pulverhalter med lätthet uppnås, och så att det kan utövas vid omgivningstryck med samma goda resultat.

Ett annat syfte med uppfinningen är att föreslå en anordning med vilken förfarandet utföres, och speciellt en fixtur som håller substratet korrekt i anordningen så att förfarandet skall vara möjligt att utföra.

Dessa syften uppnås med förfarandet och anordningen som de definieras i de bifogade patentkraven.

En detaljbeskrivning av uppfinningen kommer att ges nedan med hänvisning till ritningarna, i vilka fig. 1 visar principen för förfarandet enligt US-4 299 860, fig. 2 är en schematisk vy av en uppställning för utförande av förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen, fig. 3 A och B visar en föredragen utföringsform av en fixtur enligt uppfinningen, med vilken flera föremål som skall behandlas kan hållas på plats, fig. 4 visar en alternativ utföringsform av fixturen, fig. 5 är ett fotografi i stark förstoring av en polerad tvärsnittsyta av ett prov (nr 1), 463 213 fig. 6 är ett tvärsnitt genom ett annat prov (nr 2), fig. 7 är ett tvärsnitt genom ytterligare ett prov (nr 13), och fig. 8 är ett tvärsnitt genom en icke-primär målyta av ytterligare ett prov (nr 7).

I fig. 1 visas principen för förfarandet enligt US-4 299 860 (motsvarande fig. 1 i detta patent).

Således föres ett substrat 1 (t ex en skrivhammare) horisontellt medan det bestrålas med en högintensitets- laser 2. Laserstrålens energi får substratytan att smälta 3 lokalt. En partikelinsprutningsanordning 4 är anordnad att tillhandahålla en kontrollerad ström av partiklar 5 riktad mot den smälta fläcken 3 på substratytan. Partik- larna bäres av en inert gas, t ex helium eller argon.

En serie experiment utfördes med en experimentuppställ- ning motsvarande den beskrivna, och med experimentella parametrar enligt tabell I. Mikroskopfotografier av några prover från dessa experiment visas i fig. 5-8.

TABELL I: PROV MATNING LASEREFFEKT PULVER MATERIAL (m/min) 1 0.35 2.3 kW 10112 Boloc 2 2 -"- 1.9 10112 -"- 3 0.25 1.9 kasserad -"- 4 0.35 2.2 -"- -"- 5 0.40 2.3 -"- -"- 6 0.35 2.3 -"- -"- 7 0.35 2.3 10112 Ham 8260 463 213 13 0.34 2.3 10900 Ham 8260 14 0.36 10900 -"- l\) Resultaten är inte särskilt uppmuntrande. Först och främst är procentandelen inbäddat pulver inte tillräck- ligt hög (fig. 5-6), och för det andra skapar uppträdan- det av bubblor i smältan en mängd hålrum (fig. 7) i ytskiktet. I ett experiment (fig. 8;prov 7) kan man emellertid tydligt se en mycket hög koncentration av partiklar i ytskiktet.

Det förefaller som om detta överraskande resultat kan hänföras till en specifik betingelse, nämligen att den visade ytan, som inte var den primära målytan, befann sig något nedsänkt (ll mm i detta speciella fall) i förhål- lande till de omgivande ytorna, dvs att substratet befann sig i ett slags hålrum eller "grop" med väggar som omgav det.

Vi tror att väggarna i denna "grop" verkar som ett slags reflektor, vilken reflekterar sådana partiklar som avviker från den huvudsakliga partikelströmmen, tillbaka mot substratytan, varvid partikelkoncentrationen ökas.

Det uppenbara sättet att åstadkomma högre koncentration vore naturligtvis att försöka öka flödeshastigheten i insprutningsanordningen, men det visar sig att en sådan åtgärd endast stör processen och resulterar i inhomogena och oregelbundna ytor.

Med hänvisning till figurerna 2-4 kommer förfarandet och anordningen enligt uppfinningen inklusive de två utfö- ringsformerna av fixturen att beskrivas i detalj. 465 215 Uppställningen eller anordningen för utövande av uppfin- ningen innefattar en CO2-laser med en uteffekt på 2500 W.

Partikelinsprutningsanordningen 4 kan vara av godtycklig kommersiellt tillgänglig typ som uppfyller de specifika kraven, nämligen att kunna upprätthålla ett stabilt flöde utan fluktuationer. Den bör också kunna justeras med avseende på förhållandet gasflöde/partikelhalt. Den föredragna infallsvinkeln för partikelströmmen är 55-650, företrädesvis 600.

Hastigheten på partikeltillförseln medelst insprut- ningsanordningen skall vara 10-12 g/min, företrädesvis 11.4 g/min (0.l9 g/s).

Nætningssystemet (ej visat) för substratet, dvs den mekanism som alstrar substratets relativa rörelse måste vara mycket stabil för att partikelfördelningen skall bli homogen. Att uppnå detta är emellertid att betrakta som konstruktiva åtgärder som ligger inom fackmannens normala kompetens och diskuteras därför icke närmare häri.

Det väsentliga elementet i anordningen för utövande av uppfinningen är fixturen 6 medelst vilken substratet 1 hålles i ett korrekt relativt läge med avseende på laserstrålen 2 och partikelströmmen 5.

I fig. 4 visas en utföringsform av fixturen enligt uppfinningen avsedd för ett enstaka substrat. Den inne- fattar ett första block 10 av koppar med en styrpinne 8 vilken är avpassad att mottagas i ett motsvarande hål 9 i det föremål som skall undergå behandling (i det förelig- gande exemplet en skrivhammare för en anslagsskrivare).

Användningen av koppar är att föredra p g a dess goda värmeledningsförmåga vilket minskar kylningsproblemet.

Det kan ändå vara nödvändigt att vattenkyla systemet för att uppnå optimala resultat. Kylningen kan åstadkommas si! 463 213 genom att vatten tillåts strömma genmn kanaler 19 i fixturen.

Fixturen innefattar också ett andra kopparblock 7, och föremålet som skall behandlas placeras mellan de två blocken och säkras med något lämpligt organ såsom en skruv och mutter, en klämma eller liknande.

Fixturen kan också i en föredragen utföringsform (fig. 3A och B) innefatta ett enstaka block 20 försett med ett flertal tvärgående spår ll i vilka föremålen som skall behandlas placeras. Denna fixtur är avpassad för masspro- duktion.

Föremålet placeras mellan blocken 7,10 (eller i ett spår ll) med den yta som skall undergå ytbehandlingen under nivån för de övre ytorna på fixturblocken. På detta sätt bildar anordningen och substratet tillsammans en slags kavitet eller fördjupning 15.

I den föredragna utföringsformen finns anordnat hållaror- gan 21 avsedda att placeras överst på blocket 20.

För att substratet skall omges av väggar på åtminstone tre sidor finns ett reflektionsorgan 12 anordnat vilket tillsammans med sidoväggarna 13,14 (vilka utgör del av hållarorganet 21 i den föredragna utföringsformen) på det första respektive det andra blocket, bildar den önskade kavitetstrukturen. Detta reflektionsorgan kan också tillverkas av koppar och i den föredragna utföringsformen utgörs det av en arm 16 som sträcker sig från hela anordningens ram eller chassi 17, och ned in i kaviteten 15 som bildas av de två blocken.

I de visade utföringsformerna har reflektionsorganet sin reflektionsyta 18 orienterad vertikalt, men det kan förses med organ för justering till olika vinklar i 465 215 förhållande till ytan på substratet, och det kan också vara justerbart i kavitetens längdriktning. Reflektions- organet 12,18 kan naturligtvis ha någon annan lämplig form så länge som den önskade reflektionen uppnås, och det bör vara en fråga om ordinär ingenjörskonst att utforma detta.

Kavitetens 15 sidoväggar 13,14, dvs det första och det andra kopparblockets 7,10 innerväggar, är avfasade till en vinkel på ungefär 12-170, i den föredragna utfö- ringsformen 150, i förhållande till ett vertikalt plan.

Det är också tänkbart att ordna så att sidoväggarna är justerbara vad beträffar dessas lutning istället för att göra dem avfasade. Justering av lutningen är också endast en konstruktiv åtgärd och bildar ingen del av själva uppfinningen.

Det finns således åtskilliga möjligheter att variera betingelserna för processen för att optimera densamma, av vilka ett par hänför sig till substratets position i fixturen, och till reflektionsorganets relativa läge.

Vid utövande av förfarandet placeras ett substrat 1 som skall behandlas (eller en uppsättning substrat) i fixtu- ren 6 och hållarorganet 21 placeras över. Detta aggregat 1,6,2l bringas i relativ rörelse i förhållande till lasern 2 och partikelinsprutningsanordningen 4. Lasern aktiveras för att åstadkomma smältning av det önskade området på substratet. Lasern kan vara kontinuerlig eller pulsad. Under detta förlopp riktas en ström av partiklar mot den ytfläck som skall behandlas. Partiklar kan tillföras satsvis eleer kontinuerligt.

Under partikeltillförseln reflekteras partiklar som spridits från huvudvägen, tillbaka mot. den önskade ytfläcken medelst reflektionsytorna 13,14 på \'ñ 465 2133 hållarorganet 21, och medelst reflektionorganet 12,18, varvid partikelhalten i den behandlade ytfläcken förbättras.

De optimala resultaten har åstadkommits med reflektions- ytan 18 orienterad vertikalt, och med reflektionsytorna 13,14 orienterade i en vinkel på 150 i förhållande till ett vertikalt plan.

Nu kommer ett exempel på förfarandet enligt uppfinningen att beskrivas.

I tabell I finns listat en serie experimentella paramet- rar för ett antal prover. Som redan nämnts uppvisade provet 7 en mycket god yta på ett område som inte var det primära målet för processen.

Eftersom resultatet vid detta prov var så bra, används betingelserna från detta experiment som ett exempel på hur man med framgång utövar uppfinningen.

Således användes ett pulver som kan erhållas från Cas- tolin Ino. och som innehåller 0.5% C, 3% Cr, 1% Fe, 35% Ni, och resten WC, och med en partikelstorlek på 0.05-0.10 mm.

Substratet (en skrivhammare i detta fall) var tillverkat av ett material betecknat AISI 8620 eller IBM 07-740, och innehåller 0.18-0.23% C, 0.2-0.35% Si, 0.7-0.9% Mn, <0.035% P, <=.04% S, 0.4-0.6% Cr, 0.4-0.7% Ni, 0.15-0.25% Mo, och resten Fe.

Skrivhammaren hade belagts med Cu innan den utsattes för behandlingen enligt uppfinningen. 463 215 Ytan som skulle behandlas placerades i den ovan beskrivna fixturen, på ett sådant sätt att dess yta befann sig ll mm nedanför fixturens omgivande ytor.

Reflektionsytorna gavs en lutning på 150 i förhållande till ett vertikalt plan genom substratet, och substratet bringades i en horisontell rörelse med en hastighet på 350 mm/min.

Lasern drevs vid en uteffekt på 2.3 kW, och pulvermat- ningen var 5% (detta är ett mått på volymskvoten pul- ver/bärargas, och är ett tillverkarspecifikt mått för den speciella anordning som användes), vilket motsvarar 11.4 g/min av pulvret (O.l9 g/s).

Resultatet av en körning med ovanstående parametrar visas i fig. 7. Den visar ett tvärsnitt genom provet som har polerats och fotograferats under ett mikroskop, och halten WC-partiklar uppskattas till >50% vilket är ett helt tillfredsställande resultat.

Hårdheten mäts med Knoop-metoden och mätningarna utfördes vid olika punkter i snittet, motsvarande olika djup i provet.

Följande resultat erhölls (hårdhet i Knoop 0.5 kg): Matris mellan partiklarna 384 WC-partiklar 2044 Intermediär zon mellan yta och bulk 486 Vid ett djup på 0.05 mm 390 -"- 0.1 mm 358 -"- 0.15 mm 296 Ett anslagstest motsvarande två kundârs användning utfördes och inga signifikanta förändringar kunde iakt- tas. 465 213 I denna ansökan beskrivs således en anordning och ett förfarande för att förse ett metallsubstrat med en stötbeständig yta, med utmärkta egenskaper som inte kunnat uppnås med tidigare tekniker.

Det torde vara uppenbart för fackmannen att den givna beskrivningen endast är exemplifierande och att uppfin- ningen kan varieras avsevärt inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (11)

463 213 PATENTKRAv=

1. Anordning för att förse ett metallsubstrat (1) med en stötbeständig yta, vilken anordning innefattar en högintensitetslaser (2) för bestrålning av substratet i och för att överföra ett ytområde därav till smält tillstånd (3), partikelinsprutningsorgan (4) för insprutning av partiklar av ett material som har avsevärt högre nötningsbeständighet än själva metallsubstratet, i na det till smält tillstånd överförda ytområdet, samt organ (19) för avledning av värme från substratet för att bringa det till smält tillstånd överförda och med partiklar bemängda ytområdet att stelna, k ä n n e t e c k n a d a v en för substratet avsedd fixtur (6), som tillsammans med substratet (1) bildar en) kavitet i vars botten substratet är avsett att placeras, så att substratet omges på åtminstone tre sidor av reflektionsytor (l3,l4,l8) i och för reflektering av mot området utanför det till smält tillstånd överförda ytområdet riktade partiklar, mot det till smält tillstånd överförda ytområdet.

2. Anordning enligt krav 1, innefattande en första i förhållande till substratets yta i rät vinkel anordnad reflektionsyta, och ytterligare reflektionsytor vilka yrer bilder en vinkel på 73-7a°, företrädesvis 75° med substratets yta.

3. Anordning enligt krav l eller 2, varvid partikelinsprutningsorganet är anordnat så att partikelströmmen under tillförsel bildar en vinkel på 55-650, företrädesvis 600 i förhållande till substratets yta. nl

4. Anordning enligt något av föregående krav, innefattande matningsorgan för att förflytta substratet /ß 465 213 relativt laserstrålen med en hastighet på 0,3-0,4 m/s, företrädesvis 0,35 m/s.

5. Förfarande för att förse ett metallsubstrat med en stötbeständig yta, vilket förfarande innefattar att substratet bestrålas med en laserstråle av hög "intensitet, i och för att överföra ett ytområde av substratet till smält tillstånd, att partiklar av ett material. med avsevärt högre nötningsbeständighet än själva substratet, insprutas i det smälta ytområdet, och att värme avleds från substratet för att bringa det smälta ytområdet att stelna, k ä n n e t e c k n a t a V att partiklar som vid tillförsel är riktade mot området utanför det smälta ytområdet bringas att reflektera mot det smälta ytområdet och in i detsamma innan det stelnar, medelst reflektionsytor som omger substratet på åtminstone tre sidor.

6. Förfarande enligt krav 5, vid vilket partiklarna består av WC.

7. Förfarande enligt något av kraven 5-6 , vid vilket partiklarna har en storlek på 0,05-0,10 mm.

8. Förfarande enligt något av kraven 5-7, vid vilket partiklarna bringas att reflektera mot en första reflektionsyta, anordnad i rät vinkel i förhållande till substratets yta , och mot ytterligare reflektionsytor som bildar en vinkel på 73-7s°, företrädesvis 7s° 1 förhållande till substratets yta.

9. Förfarande enligt något av kraven 5-8, vid vilket partikeltillförseln sker vid en vinkel på 55-650, företrädesvis 600 i förhållande till substratets yta. /'1 463 215

10. Förfarande enligt något av kraven 5-9, vid vilket partikeltillförselhastigheten är 10-12 g/minut, företrädesvis 11,4 g/minut.

11. ll. Förfarande enligt något av kraven 5-10, vid vilket substratet förbehandlas genom att det förses med en beläggning av koppar. f) 10