WO2000018971A1 - Verfahren zur änderung der eigenschaften von werkstückoberflächen - Google Patents

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WO2000018971A1
WO2000018971A1 PCT/CH1999/000451 CH9900451W WO0018971A1 WO 2000018971 A1 WO2000018971 A1 WO 2000018971A1 CH 9900451 W CH9900451 W CH 9900451W WO 0018971 A1 WO0018971 A1 WO 0018971A1
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melting
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self
microstructure
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PCT/CH1999/000451
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Kurt Steinhoff
Nathalie Schuleit
Original Assignee
Sm Schweizerische Munitionsunternehmung Ag
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    • B21B—ROLLING OF METAL
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    • B21B27/005—Rolls with a roughened or textured surface; Methods for making same
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • B21B—ROLLING OF METAL
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Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of the patent claim and to devices for carrying it out and to applications of the method.
  • the subject matter of the invention is intended to create improved tribological conditions, or to create three-dimensional structures which ensure precise adjustment of the lubrication gap and enable hydrodynamic lubrication or are at least the prerequisite for this.
  • Structures with emergency running properties should also be realizable and / or an inadmissible state of wear should be displayed.
  • the three-dimensional surface structure should be suitable in all desirable geometric shapes for the storage of intermediate media and should depend only slightly on the macro geometry of the workpiece or tool. This object is solved by the features of the patent claim.
  • the arc-shaped limited microstructure mentioned in claim 1 can be described in its projection essentially by second degree polynomials with two variables and limited in practical circular or elliptical surfaces. It is essential that the boundary surfaces have no sharp edges that lead to extreme loads and wear out prematurely.
  • the partial melting causes a limited, local melting of the workpiece or tool surface, which changes the material structure, but not its geometric structure, so that a desired local gradient of the material properties results.
  • This gradient can be predetermined within wide limits by the selected thermal treatment.
  • contact surfaces result which, when loaded by a counterpart, such as support, sliding surface, roller, etc., result in a controllable surface structuring and self-forming structures).
  • Self-shaping as a dynamic design principle for mechanically stressed surfaces is based on an indirect structuring of the workpiece surface after the creation of a defined surface structure according to the invention by wear mechanisms resulting in practice. A structural evolution takes place in situ.
  • the remelting according to claim 1 results in a thermal implantation, the surface of the workpiece being locally limited in its material structure changed. The geometric macro structure of the workpiece remains intact.
  • the gradient of this thermal treatment can be influenced within wide limits by processes according to the dependent claims.
  • the geometry of the individual processing points and their geometric arrangement can be adapted to the specific macroscopic load profile of the use and / or to the subsequent processes.
  • Self-forming is based on the locally differing tribological behavior of workpieces rubbing against each other and is the result of the gradients of the material properties that have been specifically introduced.
  • the vertical expansion of the structure according to the invention is to be aimed at in the nanometer range in order to avoid “toothing effects”.
  • a coating with a material according to claim 2 allows the targeted implantation of filler materials the basis of alloying, coating and dispersing with the base material.
  • filler materials the basis of alloying, coating and dispersing with the base material.
  • combinations of these processes can also be realized with suitable materials and radiation sources.
  • the coating according to claim 3 is particularly simple, since it can be used on workpieces of any size, also for example for repairs.
  • the method according to claim 5 can also be advantageous, in particular when post-processing of the workpiece surface is provided anyway.
  • a powder supply according to claim 6, during the melting process, can be carried out with equipment such as is already known from the so-called peripheral zone melting.
  • a vacuum or a protective gas atmosphere can ensure an improved microstructure for sensitive materials and especially if no post-processing is provided; see. Claims 8 and 9.
  • An elevated temperature according to claim 10 can be advantageous for manufacturing reasons. Small areas are sufficient to form a microstructure according to the invention; they find their appropriate limit in the information listed in claim 11.
  • the self-molding according to claim 13 takes place through use, i.e. the load from the usual counterpart, for example from the material to be formed in one
  • the self-shaping effect can also be abbreviated by a material jet. in the simplest case, before the first exposure to notoriously known sandblasting.
  • Claim 15 describes a supporting structure projecting above the surface, which advantageously consists of a relatively hard material and maintains contact with a counterpart at defined, highly stressed points.
  • microstructures which are not superior to the workpiece, they serve the usual wear reduction, possibly with improved lubricating properties compared to the base material or as storage points for lubricants, depending on the type of sintered materials.
  • the simple predetermination of the hardness of the microstructure in accordance with claims 17 and 18 permits an additional application-specific configuration of the subject matter of the invention.
  • the teaching of claim 19 takes into account the presumptive wear behavior of the workpiece.
  • the method of claim 21 is used for the self-molding of parts and increases their lifespan or service life considerably.
  • claim 22 relates to lower-lying microstructures.
  • the resulting isolated depressions in the surface serve on the one hand as a reserve for lubricants and on the other hand to collect surface abrasion.
  • the procedural intermediate step according to claim 23 reduces the period of the transition phase and serves to optimize the functional phase.
  • Claims 24 and 25 relate to preferred applications of the method.
  • the self-forming according to claim 26 is of particular economic importance in its application in forming processes.
  • the fine structuring also has an advantageous effect in embossing tools, etc., since, with suitable lubrication, it enables hydrostatic mounting of the tool parts in relation to the pressing.
  • the radiation sources listed in claim 29 are advantageously used to generate the microstructures.
  • a commercially available Nd: YAG laser according to claim 30 has proven particularly useful in practice.
  • 1b shows a characteristic, concave (negative) storage geometry
  • 2 shows a workpiece coated with titanium carbide, in a lateral, enlarged top view, before the thermal treatment
  • FIGS. 3 and 4 shows a cross section through the melting zone according to FIGS. 3 and
  • Fig. 6 is a SEM image of a workpiece surface with micro contact surfaces after sandblasting.
  • Fig. La and Fig lb are indicated with 1 usual workpieces, in the surface 2 of which deposits 5 are implanted thermally.
  • the largest diameter D of both inclusions 5 is 300 ⁇ m, while the elevation + h in FIG. La is approximately 50 ⁇ m and the depression -h in FIG. 1b is likewise approximately 50 ⁇ m.
  • the storage 5 in FIG. 1 a extends to a depth d of 400 ⁇ m and that in FIG. 1 b to a depth of 100 ⁇ m.
  • FIGS. 1 a and 1 b While the storage geometries according to FIGS. 1 a and 1 b are characteristic, the dimensions are atypical.
  • the deposits 5 are relatively large here in order to facilitate their examination. It is assumed that deposits of less than 500 ⁇ m 2 in area, measured in the projection onto the surface of the workpiece, are sufficient to achieve the wanted to produce remeltings or alloys and / or dispersions.
  • the workpiece 1 itself can be any; in a series of tests, common tool steels, steel alloys, copper alloys, aluminum alloys, titanium alloys and plastics were examined for their suitability for the selective thermal storage of additives by means of a laser beam and found to be suitable.
  • a commercially available laser with an average power of 10 W, a pulse length of 2.5 ms and a pulse energy of 1.0 J was used.
  • the focal point of the laser was adjusted to the surface of the workpiece; N 2 was supplied as a protective gas at a pressure of 0.2 bar.
  • the workpieces Prior to laser processing, the workpieces (samples) were coated with TiC grains ⁇ 6 ⁇ m in a layer thickness of 110 ⁇ m by an organic-based slip that was dried in the oven for 1 h at 200 ° C after application.
  • Figure 2 shows the slip in the form of a coating 3 in an enlarged view after drying.
  • the samples were annealed in a notoriously known manner, the holding time in each case being 3 hours.
  • the surface of the inserts 5 is not flat even after self-molding by a counterpart; see. Topography in Fig. 3 (3D interferometer representation).
  • the maximum elevation at the tips 6, measured from the surface of the workpiece, is in the range from 50 to 60 nm.
  • the length 1 of the sample is 60 nm, the width w of which is 45 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a corresponding scanning electron microscope image.
  • the comparison distance shown is 1.0 mm; the matrix, workpiece 1, is made of the usual unhardened cold work steel 1.2601.
  • the layer of TiC grains ⁇ 6 ⁇ m applied by laser before melting was 110 ⁇ m.
  • the here flattened inclusions, which are ground before sandblasting, are denoted by 5 '.
  • the subject of the invention permits a very large number of applications and material combinations.
  • the following table is therefore only a selection from a large number of options, whereby often different materials and insert geometries are conceivable and useful on the same workpiece.
  • Bl organic binder with the following composition: TiC: 69.2% by weight, grain size ⁇ 20 ⁇ m
  • the binder is dried in an oven at 200 ° C for 1 h
  • Covering Holes etc. can be covered with adhesive tape.
  • B4 Powder electrostatic deposition easy removal of the excess coating after laser processing using an air jet; environmentally friendly process.
  • C2 nitrides TiN, BN, AlN, Si 3 N 4 borides: TiB, TiB 2
  • Oxides Al 2 0 3 , Zr0 2 carbides: TiC, SiC, WC, VC, ZrC, Mo 2 C, Cr 3 C 2 , diamond
  • E4 radiation sand radiation, ion radiation, electron radiation
  • the present invention through the indirect structuring of workpiece surfaces, permits in-situ self-shaping and also a possible predefinition of the design principle. This results in practice ⁇ to process- and application-optimized dynamic Washsprizipien with reduced voltage peaks and technologically better controllable structures.
  • the areas of high load can be calculated and the optimal "layout" of the corresponding implementations can be determined from them.
  • the aim should be to keep the smallest possible contiguous areas of insular implantations.

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Abstract

Bei zahlreichen Werkstücken, insbesondere an Werkzeugen der Umformtechnik entstehen lokal Spannungsspitzen und daraus ein erhöhter Verschleiß. Durch eine lokale, insulare Umschmelzung und/oder eine thermische Implantation (5) von Zusatzwerkstoffen (7) kann das Betriebsverhalten der Werkstücke (1) verbessert werden. Durch die derart erzeugten Werkstoffgradienten lassen sich tribologische Systeme aufbauen, die einen Selbstformungseffekt aufweisen, der die Standzeit von Werkzeugen und dgl. beträchtlich erhöht. Bevorzugt erfolgen die Verfahren zur thermischen Behandlung der Werkstücke mittels eines ND:YAG-Lasers.

Description

Verfahren zur Änderung der Eigenschaften von Werkstückoberflächen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren _ nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs sowie auf Vorrichtungen zu dessen Durchführung und auf Anwendungen des Verfahrens .
Die Auslegung und Gestaltung von Werkstücks-, insbesondere von Werkzeugoberflächen ist abhängig von den Prozessbedin- gungen und den Funktionsanforderungen des jeweiligen, meist Umformprozesses. Dabei wird aus wirtschaftlichen Gründen grosser Wert auf eine hohe Standzeit der Werkzeuge und damit auf eine maximale Verschleissfestigkeit gelegt. Untersuchungen (Schmoeckel, Prier and Staeves : Topography defor- mation of sheet etal during the forming process and its influence on friction; Annais of the CIRP, 46/1, 1977, p.175-178) zeigen, dass durch die Anwendung einer vordefinierten Oberflächenstruktur das tribologische Verhalten des Werkzeugs beeinflusst wird. Zur Prozessoptimierung bei schwer verformbaren Materialien wurden sogenannte "determi- nistic-stochastic structures" vorgeschlagen (Steinhoff, Rasp and Pawelski: Development of deter inistic-stochastic surface structures to improve the tribological conditions of sheet forming processes; Jornal of Materials Processing Technology 60, 1996, p. 355-361), welche hydrostatische "Schmier-Taschen" bilden. Obwohl die Herstellung tribolo- gisch optimierter Oberflächenstrukturen bekannt war, blieb deren praktische Ausgestaltung im Bereich theoretischer Untersuchungen (Steinhoff, Bunten, Rasp, Kopp and Pawelski: Development of a model for the Simulation of the transfer of surface structure in the temper-rolling process; Steel Research 66, 1995, No . 12, p. 520-525) und experimenteller Untersuchungen (Steinhoff, Rasp und Pawelski: Entwicklung von tribologisch optimierten Oberflächenstrukturen für die Blech- und Massivumformung, Sonderdruck aus Tribologie und Schmiertechnik 45, 2/1988) .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung Wege aufzuzeigen, um die bisherigen Untersuchungsergebnisse in die Praxis umzusetzen.
Es gilt somit den Verschleiss an hochbeanspruchten Oberflä- chen zu reduzieren und/oder die Zuverlässigkeit und Standzeit von Verschleissteilen, insbesondere von Umformwerkzeugen zu erhöhen. Dies soll in wirtschaftlich günstiger Weise geschehen, ohne dass wesentliche Änderungen bei an sich bewährten Konstruktionsprinzipien oder an eingeführten dimen- sionellen Auslegungen, nötig sind.
Im weiteren soll der Erfindungsgegenstand verbesserte tri- bologische Bedingungen schaffen, bzw. es sollen damit dreidimensionale Strukturen geschaffen werden, welche eine präzise Einstellung des Schmierspaltes gewährleisten und eine hydrodynamische Schmierung ermöglichen oder zumindest die Voraussetzung dafür sind.
Ebenfalls sollen Strukturen mit Notlaufeigenschaften realisierbar sein und/oder ein nicht zulässiger Verschleisszu- stand soll anzeigbar werden.
Die dreidimensionale Oberflächenstruktur soll in sämtlichen wünschbaren geometrischen Formen zur Einlagerung von Zwischenmedien geeignet sein und nur wenig von der Makrogeometrie des Werkstücks oder Werkzeugs abhängen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst .
Die im Anspruch 1 genannte bogenförmig begrenzte Mikro- struktur lässt sich in ihrer Projektion im wesentlichen durch Polynome zweiten Grades, mit zwei Variablen beschreiben und begrenzt in praxi Kreis- oder Ellipsenflächen. Wesentlich ist dabei, dass die Begrenzungsflächen keine scharfen Kanten aufweisen, die zu extremen Belastungen führen und vorzeitig verschleissen.
Das partielle Aufschmelzen bewirkt ein begrenztes, lokales Umschmelzen der Werkstück- oder Werkzeugoberfläche, was die WerkstoffStruktur verändert, nicht aber deren geometrische Struktur, so dass ein gewollter lokaler Gradient der Werkstoffeigenschaften resultiert. Dieser Gradient lässt sich in weiten Grenzen durch die gewählte thermische Behandlung vorbestimmen .
Durch die gezielte Wahl des Rasters bzw. die gezielte Anordnung von MikroStrukturen auf der Werkstück-Oberfläche resultieren Kontaktflächen die bei Belastung durch ein Ge- genstück, wie Auflage, Gleitfläche, Rolle etc. eine kontrollierbare Oberflächenstrukturierung bewirken und selbst- formend (engl. seif forming structures) sind.
Eine Selbstformung als dynamisches Gestaltungsprinzip für mechanisch beanspruchte Oberflächen basiert auf einer indi- rekten Strukturierung der Werkstückoberfläche nach der Erzeugung einer definierten, erfindungsgemässen Oberflächenstruktur durch in praxi resultierende Verschleissmechanis- men.- Es erfolgt somit eine Strukturevolution in situ. Durch das Umschmelzen nach Anspruch 1 resultiert eine thermische Implantation, dabei wird die Oberfläche des Werkstücks lokal begrenzt in dessen WerkstoffStruktur verändert. Die geometrische Makrostruktur des Werkstücks bleibt vollständig erhalten.
Der Gradient dieser thermischen Behandlung lässt sich durch Verfahren nach den abhängigen Ansprüchen in weiten Grenzen beeinflussen. Die Geometrie der einzelnen Bearbeitungspunkte sowie deren geometrische Anordnung kann dabei dem spezi- fischen makroskopischen Beanspruchungsprofil der Verwendung und/oder an den nachfolgenden Prozesses angepasst werden.
Die Selbstformung basiert auf dem lokal unterschiedlichen tribologischen Verhalten von auf einander reibenden Werkstücken und ist die Folge der gezielt eingebrachten Gra- dienten der Werkstoffeigenschaften.
In einer ersten Phase dieser Evolution der Selbstformung sind die Reibungsbedingungen über die gesamte kontaktierte Oberfläche nahezu gleich. Der bei der Belastung resultierende Verschleiss ist demgegenüber, aufgrund der Werkstoff- Gradienten, verschieden, so dass der Oberflächenabtrag eine geometrische Oberflächenstruktur entstehen lässt, welche ein tribologisches System - zusammen mit den eingelagerten Schmierstoffen und dem Abrieb - bildet.
Bereiche höherer Verschleissfestigkeit sind folglich erha- ben; es bilden sich Kontaktflächen mit dem Gegenstück, während die vertieften Stellen als hydrostatische Schmiertaschen dienen. Bei der Bildung dieser Struktur ändern sich in einer, nächsten Phase, einer Übergangsphase, nicht nur die lokalen Reibungsbedingungen, sondern auch die lokalen Verschleiss- mechanismen. Im Bereich der kontaktierten Oberflächen führt ein hoher Anteil an Festkörper- und Grenzreibung zu einem vorwiegend abrasiven und adhäsiven Verschleiss, während in den wachsenden, vertieften Oberflächenbereichen, aufgrund ihrer hydrodynamischen Bedingungen, tribo-chemische Auswascheffekte vorherrschen.
In einer anschliessenden funktionellen Phase führen die lokal unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften, die lokalen Geometrieunterschiede und die tribologischen Gradienten zu einer gleichmässigen Weiterentwicklung der Oberflächenstruktur im Sinne eines angestrebten, homogenisierten Pro- zessverlaufs .
Während die laterale Ausdehnung aus Stabilitätsgründen Abmessungen in der Grössenordnung von einigen hundert Mikrometern aufweist, ist, zur Vermeidung von "Verzahnungseffekten", die vertikale Ausdehnung der erfindungsge äεsen Struktur im Bereich von Nanometern anzustreben.
Gleiche Mechanismen wie bei massiven Gegenstücken, wie Auflagen, Gleitflächen, Rollen etc. lassen sich auch mit strömenden Medien beobachten.
In nachfolgend diskutierten, abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands beschrieben.
Eine Beschichtung mit einem Material gemass Anspruch 2 erlaubt das gezielte Implantieren von Zusatzwerkstoffen, auf der Basis eines Legierens, eines Beschichtens und eines Dispergierens mit dem Grundwerkstoff. Selbstverständlich können mit geeigneten Materialien und Strahlungsquellen auch Kombinationen dieser Verfahren realisiert werden.
Besonders einfach ist die Beschichtung nach Anspruch 3, da diese an beliebig grossen Werkstücken, auch beispielsweise bei Reparaturen anwendbar is .
Eine in der Serienfabrikation günstige Methode der Beschichtung ist in Anspruch 4 angegeben.
In Verbindung mit anderen Plattierungen kann auch das Verfahren nach Anspruch 5 vorteilhaft sein, insbesondere dann, wenn ohnehin Nachbearbeitungen der Werkstückoberfläche vorgesehen sind.
Eine Pulverzufuhr gemass Anspruch 6, während des Auf- schmelzVorgangs , kann mit Betriebsmitteln wie sie bereits vom sogenannten Randzonenschmelzen bekannt sind, vorgenommen werden.
In den meisten Fällen genügt ein Aufschmelzen der Oberfläche unter Werkstattbedingungen, Anspruch 7, da bei angemes- senen Strahlungsleistungen kaum störende Oxydationen stattfinden.
Bei empfindlichen Materialien und insbesondere wenn keine Nachbearbeitung vorgesehen ist, können ein Vakuum oder eine Schutzgasatmosphäre eine verbesserte MikroStruktur gewähr- leisten; vgl. Ansprüche 8 und 9.
Eine erhöhte Temperatur gemass Anspruch 10 kann aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein. Zur Bildung einer erfindungsgemässen MikroStruktur genügen kleine Bereiche; sie finden ihre zweckmässige Grenze in den in Anspruch 11 aufgeführten Angaben.
Zur Unterstützung und Abkürzung des Selbstformungseffekts können an sich bekannte MikroStrukturen durch Fotolitogra- phie, ätzen etc. hergestellt, dienen; Anspruch 12.
Als Folge des Abriebs und hydromechanischer Auswaschungseffekte erfolgt die Selbstformung nach Anspruch 13 durch den Gebrauch, d.h. die Belastung durch das übliche Gegenstück, beispielsweise durch das umzuformende Material in einem
Zieh- oder Presswerkzeug.- Diese Feinstrukturierung erfolgt im Mikrobereich, idealerweise sogar im Nanometerbereich und erhöht die Standzeit der Werkzeuge um ein mehrf ches .
Ebenfalls kann der Selbstformungseffekt durch einen Mate- rien-Strahl abgekürzt werden, Anspruch 14; im einfachsten Fall vor der ersten Belastung durch notorisch bekanntes Sandstrahlen.
Anspruch 15 beschreibt eine die Oberfläche überragende, tragende Struktur, welche vorteilhafterweise aus einem re- lativ harten Material besteht und die Kontaktierung mit einem Gegenstück, an definierten, hochbelasteten Stellen aufrecht hält.
Im Gegensatz zum vorerwähnten dienen das Werkstück nicht überragende MikroStrukturen der üblichen Verschleissminde- rung, Anspruch 16, ggf. mit gegenüber dem Grundmaterial verbesserten Schmiereigenschaften bzw. als Einlagerungs- stellen für Schmierstoffe, nach Art der Sinterwerkstoffe. Die einfache Vorbestimmung der Härte der MikroStruktur gemass den Ansprüchen 17 und 18, erlaubt eine zusätzliche anwendungsspezifische Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands .
Die Lehre nach Anspruch 19 trägt dem präsumtiven Abnutzungsverhalten des Werkstücks Rechnung.
Die Materialwahl nach Anspruch 20 lässt durch Sensoren im Schmiermittelkreislauf eine laufende Überwachung der Abnutzung zu und kann damit vorgesehene Serviceintervalle ver- längern sowie gleichzeitig die Sicherheit komplexer und wichtiger Systeme erhöhen.- In analoger Weise können Hilfs- stoffe freigesetzt werden, die sich im Feinstrukturbereich des tribologischen Systems anlagern.
Das Verfahren nach Anspruch 21 dient der Selbstformung von Teilen und erhöht deren Lebensdauer bzw. Standzeit ganz beträchtlich.
Wahrend das Verfahren nach Anspruch 21 auf überhöhte Implantationen ausgerichtet ist, bezieht sich Anspruch 22 auf tiefer liegende MikroStrukturen. Die entstehenden isolierten Vertiefungen in der Oberfläche dienen einerseits als Reserve für Schmierstoffe, anderseits zum Auffangen von Oberflächenabrieb.
Der verfahrensmässige Zwischenschritt nach Anspruch 23 reduziert die Periode der Übergangsphase und dient der Opti- mierung der funktioneilen Phase.
Die Ansprüche 24 und 25 beziehen sich auf bevorzugte Anwendungsfälle des Verfahrens. Von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung ist die Selbstformung nach Anspruch 26 in ihrer Anwendung bei Umformprozessen.
Günstig wirkt sich die Feinstrukturierung auch in Präge- Werkzeugen etc. aus, da sie bei geeigneter Schmierung, eine hydrostatische Lagerung der Werkzeugteile gegenüber dem Pressung ermöglicht, Anspruch 27.
Die Steuerung und Beeinflussung von Randschichten in Strömungen, insbesondere bei hohen Drucken und/oder grossen Ge- schwindigkeiten eröffnet der Präzisionshydraulik neue Möglichkeiten, vgl. Anspruch 28.
Vorteilhafterweise werden zur Erzeugung der MikroStrukturen die in Anspruch 29 aufgeführten Strahlungsquellen benutzt.
Besonders bewährt hat sich in der Praxis ein handelsübli- eher Nd:YAG-Laser nach Anspruch 30.
An Hand von Zeichnungen werden nachfolgend erprobte Einlagerungen von MikroStrukturen in Werkstückoberflächen näher erläutert .
Es zeigen:
Fig. la eine charakteristische, erhabene (positive) Einlagerungsgeometrie ,
Fig. lb eine charakteristische, konkave (negative) Einlagerungsgeometrie, Fig. 2 ein mit Titankarbid beschichtetes Werkstück, in einer seitlichen, vergrösserten Draufsicht, vor der thermischen Behandlung,
Fig. 3 die vergrösserte, 3 -dimensionale Topographie ei- ner Einschmelzzone, nach einer Selbstformung,
Fig. 4 die Oberfläche der Einschmelzone nach Fig. 3,
Fig. 5 einen Querschliff durch die Einschmelzone nach Fig. 3 und
Fig. 6 eine REM-Aufnähme einer Werkstückoberfläche mit Mikrokontaktflachen nach dem Sandstrahlen.
In Prinzidarstellungen Fig. la und Fig lb sind mit 1 übliche Werkstücke angedeutet, in deren Oberfläche 2 auf thermischem Wege Einlagerungen 5 implantiert sind.
Der grösste Durchmesser D beider Einlagerungen 5 beträgt 300 μm, während die Überhöhung +h in Fig. la zirka 50 μm und die Vertiefung -h in Fig. lb ebenfalls zirka 50 μm beträgt. Die Einlagerung 5 in Fig. la reicht in eine Tiefe d von 400 μm und diejenige in Fig. lb in eine solche von 100 μm.
Während die Einlagerungsgeometrien nach Fig. la und lb charakteristisch sind, sind die Abmessungen atypisch. Die Einlagerungen 5 sind hier relativ gross, um deren Untersuchung zu erleichtern. Es wird davon ausgegangen, dass Einlagerungen von weniger als 500 μm2 Fläche, gemessen in der Projek- tion auf die Oberfläche des Werkstücks genügen, um die ge- wünschten Umschmelzungen bzw. Legierungen und/oder Dispersionen herzustellen.
Das Werkstück 1 selbst kann beliebig sein, in einer Versuchsreihe wurden übliche Werkzeugstähle, Stahllegierungen, Kupferlegierungen, Aluminiumlegierungen Titanlegierungen und Kunststoffe auf ihre Eignung zur punktuellen thermischen Einlagerung von Zusatzstoffen mittels eines Laserstrahls untersucht und als geeignet befunden.
Verwendet wurde ein handelsüblicher Laser mit einer mittle- ren Leistung von 10 W, einer Pulslänge von 2,5 ms, mit einer Pulsenergie von 1,0 J. Der Brennpunkt des Lasers wurde auf die Oberfläche des Werkstücks eingestellt; es wurde N2 als Schutzgas bei einem Druck von 0,2 bar zugeführt.
In den weiteren Figuren sind für gleiche Funktionsteile gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die Werkstücke (Proben) wurden vor der Laserbearbeitung mit TiC Körnern < 6 μm in einer Schichtdicke von 110 μm belegt und zwar durch einen Schlicker auf organischer Basis, der nach dem Auftrag bei 200 °C während 1 h im Ofen getrocknet wurde .
Figur 2 zeigt den Schlicker in Form einer Beschichtung 3 in vergrösserter Darstellung nach dem Trocknen.
Nach der Laserbearbeitung wurden die Proben in notorisch bekannter Weise angelassen, wobei die Haltezeit jeweils 3 h betrug. Die Oberfläche der Einlagerungen 5 ist auch nach einer Selbstformung durch ein Gegenstück nicht flach; vgl. Topographie in Fig. 3 (3D-Interferometerdarstellung) . Die maximale Überhöhung an den Spitzen 6, gemessen von der Oberflä- ehe des Werkstücks, liegt im Bereich von 50 bis 60 nm. Die Länge 1 der Probe beträgt 60 nm, deren Breite w ist 45 μm.
Es ist angezeigt, die Oberflächen dieser Implantationen fein zu Schleifen bevor sie eingesetzt werden, um dem SelbstformungsVorgang ohne Verzögerung zu starten.
Die Oberfläche einer Einschmelzone, nach einem üblichen mechanischem Schleifen mit einer Körnung von P4000, zeigt Fig. 4, wo deutlich die resultierende Einlagerungsgeometrie der Karbide (= dunkle Bereiche) zu sehen ist. Zu Vergleichszwecken wurde eine Strecke von 70 μm eingezeichnet.
Aus dem Querschliff Fig. 5 ist ersichtlich, dass sich die Karbide 7 auch in der vertikalen z-Achse in der ganzen Einschmelzone verteilen, hier ist die Vergleichsstrecke von 50 μm eingetragen.
Es hat sich gezeigt, das die besten Einschmelzzonenprofile bei einer Fokuslage des Lasers erzielt wird, welche einige μm über der Werkstückoberfläche liegt.
Um die Struktur der Werkstückoberfläche herauszuheben wurde diese einer Sandstrahlung unterzogen: Fig. 6 ist eine entsprechende Rasterelektronenmikrosko -Aufnähme. Die einge- zeichnete Vergleichsstrecke beträgt 1.0 mm; die Matrix, das Werkstück 1, besteht aus üblichem ungehärtetem Kaltarbeits- stahl 1.2601. Die vor dem Einschmelzen mit dem Laser aufgebrachte Schicht aus TiC-Körnern < 6 μm betrug 110 μm. Die hier abgeplatteten, vor dem Sandstrahlen geschliffenen Einlagerungen sind mit 5' bezeichnet.
Der Erfindungsgegenstand lässt eine sehr grosse Anzahl von Anwendungen und Werkstoffkombinationen zu. Die nachfolgende Tabelle ist daher lediglich eine Auswahl aus einer Vielzahl von Möglichkeiten, wobei oft zusätzlich auf dem gleichen Werkstück noch zueinander unterschiedliche Werkstoffe und Einlagerungsgeometrien denkbar und sinnvoll sind.
Dabei bedeuten:
Werkstück (Substrat)
AI Werkzeugstähle
A2 Stahllegierung
A3 Kupferlegierung
A4 Aluminiumlegierung
A5 Titanlegierung
A6 Kunststoff
Vorbeschichtung
Bl Organischer Binder mit der folgenden Zusammensetzung: TiC: 69,2 Gew.- %, Korngrösse < 20 μm
Ethanol : 21,5 Gew.- % Polyäthylenglycol : 2,9 Gew.- % Phthalsäure: 2,9 Gew.- % Polyvinylbutanal : 2,0 Gew.- % Triolein: 1,5 Gew.- %
Entgasen: Der Binder wird im Ofen bei 200°C , während 1 h, getrocknet
Abdecken: Bohrungen etc. können mit Klebeband abgedeckt werden.
Schichtdicke: ca. 100 μm
B2 Andere BinderZusammensetzungen bzw. Wasser als Basisbinder
Entgasen: angepasste Trocknungstemperatur
Abdecken wie Bl
B3 Klebeband mit Zusatzwerkstoffen: Beschichtungen an grossen, sperrigen Teilen
Entgasen des Klebebands
B4 Pulverelektrostatische Abscheidung: einfaches Entfernen der über lüssigen Beschichtung nach der Laserbearbeitung mittels Luftstrahl; umweltfreundlicher Prozess.
B5 PVD-CVD Verfahren (thermo-chemisch) ; Schichtdicke < 10 μm
B6 Thermisches Spritzverfahren;
Schichtdicke zwischen 50 μm und 5 mm B7 Direkte Pulverzufuhr
Einlagerungswerkstoff
Cl TiC, WC, VC, ZrC, Mo2C, Cr3C2
C2 Nitride: TiN, BN, AlN, Si3N4 Boride: TiB, TiB2
Oxide : Al203 , Zr02 Karbide: TiC, SiC, WC, VC, ZrC, Mo2C, Cr3C2, Diamant
C3 Cr, Sn (Kupfer legieren)
C4 Ni, Cr, Ti, B, NiCrBSi (AI legieren)
C5 SiC, MoSi , Co (Titan legieren)
C6 PTFE; C, SiO
Einlagerungsgeometrie
Positiv: analog Fig. la Negativ: analog Fig. lb Dl h = +50 μm D2 h 0 μm D3 h > 50 μm D4 h < 0 μm
Nachbearbeitung
El mechanisches Polieren
E2 chemische Ätzung E3 elektrolytisches Polieren
E4 Strahlung: Sandstrahlung, Ionenstrahlung, Elektronenstrahlung
Die nachstehende Tabelle Anwendungsübersicht demonstriert die Universalität des Erfindungsgegenstands .
Abschliessend sei festgestellt, dass die vorliegende Erfindung durch die indirekte Strukturierung von Werkstückoberflächen eine in situ Selbstformung sowie eine ebenfalls mögliche Vordefinition des Gestaltungsprinzips erlaubt. Dies führt in praxi^ zu prozess- und anwendungsoptimierten dynamischen Gestaltungsprizipien mit reduzierten Spannungs- spitzen und zu technologisch besser beherrschbaren Konstruktionen. Durch die Anwendung der an sich bekannten Methoden finiter Elemente lassen sich die Bereiche hoher Be- lastung berechnen und daraus der jeweils optimale "Layout" der entsprechenden Implementationen bestimmen.
Anzustreben sind, auch aus wirtschaf lichen Gründen möglichst kleine zusammenhängende Bereiche insularer Implantationen.
Von besonderem Interesse sind auch denkbare Kombinationen zwischen Kunststoffen und metallischen MikroStrukturen bzw. vice versa. Anwendungsübersicht
Figure imgf000019_0001
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Anwendungsübersicht (Forts.)
Figure imgf000020_0002

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur gezielten partiellen Änderung der physikalisch/technischen Eigenschaften von Werkstück- Oberflächen durch deren lokales thermisches Aufschmelzen, Zulegieren und/oder Dispergieren eines Zusatzwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine punktuell wirkende, konzentrische Strahlungs- quelle die Werkstück-Oberfläche partiell und insular aufgeschmolzen wird und dass die derart gebildete, auf der Oberfläche bogenförmig begrenzte Mikrostruk- tur in einem der vorgesehenen Belastung des Werkstücks angepasstem Raster auf der weiteren Werkstück- Oberfläche wiederholt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstücks, vor dem Aufschmelzen mit der Strahlungsquelle, mit einem Material mit gegenüber dem Material des Werkstücks unterschiedlichen physikalisch/technischen und/oder chemi- sehen Eigenschaften beschichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein pulverförmiges Material durchgeführt wird, welches durch ein Klebband auf der Werkstück-Oberfläche fixiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein pulverförmiges Material durchgeführt wird, welches in einer Suspension verteilt auf die Werkstück-Oberfläche aufgebracht, bzw. in welche diese eingetaucht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein thermisch, chemisch oder galvanisch aufgebrachtes Material durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufschmelzens pulverförmiges Material zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die AufSchmelzung der Oberfläche bei Raumtemperatur, in einer Standardatmosphäre, durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die AufSchmelzung der Oberfläche bei Raumtemperatur, in einem Vakuum, durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die AufSchmelzung der Oberfläche bei Raumtemperatur, in einer inerten Gasatmosphäre, durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die AufSchmelzung der Oberfläche bei gegenüber der Raumtemperatur erhöhter Temperatur durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die AufSchmelzung der Oberfläche jeweils auf einer zusammenhängenden Fläche von weniger als 1,0 mm2 und mit einer Tiefe von weniger als 500 μm durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem getrennten Arbeitsschritt die Umgebung der insularen Mikrostruktur mit Mikrokanalen versehen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Mikrokanäle zumindest teilweise durch eine Selbstformung, bei der Belastung durch ein auf dem Werkstück aufliegenden Gegenstück, vorgenommen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Mikrokanäle zumindest teilweise durch eine Selbstformung, vorgängig unterstützt durch einen Materien-Strahl, vorgenommen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Material in seiner Masse derart gewählt ist, dass dieses nach dem Aufschmelzen, mit der sich bildenden Mikrostruktur die Oberfläche des Werkstücks überragt.
16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Material in seiner Masse derart gewählt ist, dass dieses nach dem Aufschmelzen, mit der sich bildenden Mikrostruktur die Oberfläche des Werkstücks nicht überragt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Material eine Härte aufweist, die im geschmolzenen Zustand höher ist als die Härte des Grundmaterial des Werkstücks .
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Material eine Härte aufweist, die im geschmolzenen Zustand geringer ist als die Härte des Grundmaterial des Werkstücks.
19. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass das beschichtete Material im geschmolzenen Zustand eine zum Grundmaterial des Werkstücks verschieden Verschleissfestigkeit aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Material im geschmol- zenen Zustand in seiner Dichte, seiner Absorption, seiner ferromagnetischen Eigenschaft, seiner elektromagnetischen Strahlung, seiner Farbe und/oder seinem Reflektionsgrad zum Grundmaterial des Werkstücks verschieden ist.
21. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis
20, zur Optimierung der Belastbarkeit von miteinander formschlüssig verbundenen Werkstücken und/oder Werkzeugen und/oder Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass nach der thermischen Implantation das Werkstück, in Arbeitslage mit seinem Gegenstück in Verbindung gebracht wird, so dass sich unter einem Einbezug verstärkter Schmierung die beiden Teile, unter Arbeitsbelastung miteinander ein tribologisches System bil- dend, in ihrem Oberflächen im Nanometerbereich selbstformen.
22. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 20, zur Optimierung der Belastbarkeit von miteinander formschlüssig verbundenen Werkstücken und/oder Werkzeugen und/oder Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass nach der thermischen Implantation eines das Werkstück überragenden Zusatzwerkstoffes zumindest die Spitzen der Überhöhungen mechanisch oder ther- misch abgetragen werden, dass in einem weiteren Verfahrensschritt das Werkstück, in Arbeitslage mit seinem Gegenstück in Verbindung gebracht wird, so dass sich unter einem Einbezug verstärkter Schmierung die beiden Teile, unter Arbeitsbelastung, miteinander ein tribologisches System bildend, in ihrer Oberflächen im Nanometerbereich selbstformen.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke vor ihrem ersten be- triebsmässigen Einsatz einer Strahlbehandlung und/oder Wärmebehandlungen unterzogen werden, um ihre Oberflächen im Mikrometerbereich aneinander anzupassen.
24. Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Indikation des Abnutzungsgra- des von Laufflächen.
25. Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Implantation von Materialien mit Notlaufeigenschaften in Laufflächen.
26. Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche l bis 21 zur definierten Gestaltung von Reibflächen durch Selbstformung, insbesondere zur Selbstformung von Werkzeugoberflächen in Umformpro- zessen und von Gleitführungen in hochbeanspruchten Bauteilen.
27. Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Strukturierung von Prägewerkzeugen .
28. Anwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 23 zur Beeinflussung und Lenkung von strömenden Medien in ihren Randzonen.
29. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23 mit einer ther- mischen Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass diese Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahlung emittier .
30. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strah- lungsquelle ein gepulster Nd:YAG-Laser ist.
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