WO2002095089A2 - Verfahren zur bildung einer hochfesten und verschleissbeständigen verbundschicht - Google Patents

Verfahren zur bildung einer hochfesten und verschleissbeständigen verbundschicht Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for forming a high-strength and wear-resistant composite layer on the surface of an aluminum alloy substrate.
  • the aluminum alloys contain, for example, 14 to 17% silicon.
  • coarse silicon crystals form in the alloy.
  • the wear-resistant coarse silicon crystals are formed by etching processes in which the aluminum is reset, the reset aluminum enables the formation of a permanent lubricating film.
  • a higher wear resistance of aluminum alloys can already be considerably improved by hardening by modifying the substrate surfaces, for example by melting the surface with a laser beam. The result is an increase in strength on the surface.
  • a method is known from the document EP 0 411 322, with which wear-resistant surfaces on components made of an Al-Si alloy are produced. For this purpose, the surfaces are coated with a layer of a binder, of powdered silicon, an inoculant for primary silicon crystals and a flux and then this coating is melted down by means of laser energy.
  • the addition of hard materials for example in the form of metal carbides or nitrides, already causes a considerable increase in the surface hardness.
  • a simple method of applying the alloying elements is achieved using screen printing technology.
  • the invention has for its object to provide a method with which particularly wear-resistant surfaces are created.
  • the method of forming a high strength and wear resistant composite layer on the surface of an aluminum alloy substrate comprises placing an filler on the surface of the substrate.
  • the filler material consists of an alloy or powder mixture containing aluminum, silicon and at least 15% by weight of iron. Irradiating the alloy or powder mixture arranged or supplied on the surface of the aluminum alloy substrate with a laser causes the alloy or powder mixture and a surface portion of the aluminum alloy substrate to fuse with one another. In order to prevent oxidation of the surface during melting until cooling, the process is preferably carried out under an inert atmosphere. The melt solidifies at high cooling rates to form a fine, homogeneous structure.
  • the process with rapid cooling from the melting phase incorporates far higher iron contents than previously known in heat-resistant and wear-resistant intermetallic compounds.
  • hard composite layers with microstructure are advantageously formed on locally limited component parts, for example at those locations that are particularly thermally and mechanically stressed.
  • the added iron forms binary intermetallic compounds with aluminum and ternary intermetallic compounds with aluminum and silicon from the alloy or powder mixture.
  • the content of the iron liegf 'preferred.% 15-30 wt. A crack-free surface of the composite layer is still formed in this area.
  • silicon is separated from the melt in the composite layer by a hypereutectic Al-Si alloy. Increased silicon excretion can be further supported by the targeted introduction of suitable nucleating agents.
  • the copper content is preferably between 0 and about 15% by weight, the zinc content preferably between 0 and about 5% by weight and the vanadium content preferably between 0 and about 7% by weight. Additives of this type improve the quality of the entire composite layer in terms of strength, toughness and corrosion resistance.
  • the ceramic hard materials consist of metal carbides or nitrides and preferably SiC, WC, TiC or Si 3 N 4 .
  • the proportion of ceramic hard materials is between 0 and 50 vol. %.
  • the hard materials in the molten metal are melted on the surface, which results in a roughened surface of the powder particles which interlocks with the compact composite layer. This melting of the hard material surface is particularly evident when higher iron contents are added.
  • a preferred composition of the wear-resistant composite layer on the surface of an aluminum alloy substrate contains an iron content of 15 to 30% by weight and preferably consists of binary aluminum-iron and ternary aluminum-silicon-iron phases.
  • the manufacturing process is shown with the continuous addition of the filler material.
  • the surface of an aluminum alloy substrate 1 is moved under a laser beam 4.
  • the movement 7 takes place at a speed of approximately 200 mm to 1 m per minute.
  • the filler material 5 is fed in the form of strips, wires or powder directly at the point of impact of the laser beam and melted into a molten bath 3.
  • the composite layer 2 forms precisely at the points of impact of the laser, and the beam has an approximate diameter of 3 to 8 mm at the points of impact.
  • Powder mixtures can be added without further binder materials using a spray process.
  • the solidification of the melt with high cooling rates to form a fine, homogeneous structure can also be achieved by additional cooling of the substrate surface or of the entire substrate material.
  • the filler material is already applied to the surface 6 before melting.
  • the material is preferably applied by covering the substrate surface in the form of bands and sheets. Locally applied composite layers are formed by previously structuring the surface, for example by screen printing, using filler materials in powder form.

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Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht auf der Oberfläche eines Aluminiumlegierung-Substrates aus einem aufgebrachten Zusatzwerkstoff. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Legierung oder Pulvermischung, die Aluminium, Silizium und zumindest 15 Gew.% Eisen enthält. Durch Bestrahlen der auf der Oberfläche des Aluminiumlegierung-Substrates angeordneten Legierung oder Pulvermischung mit einem Laser verschmilzt die Legierung oder Pulvermischung und ein oberflächlicher Anteil des Aluminiumlegierung-Substrates miteinander.

Description

Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht auf der Oberfläche eines Aluminiumlegierung-Substrates.
Bei Bauteilen aus Al-Si-Legierungen werden bevorzugt über- eutektische Legierungen eingesetzt, da sich diese im Hinblick auf Verschleiß und Reibungsminimierung als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Um eine ausreichende Zahl und Größe der primären Siliziumkristalle zu erhalten, enthalten die Aluminiumlegierungen beispielsweise 14 bis 17 % Silizium. Neben Aluminium bilden sich in der Legierung grobe Siliziumkristalle. Durch Ätzprozesse, bei denen das Aluminium zurückgesetzt wird, werden die verschleißbeständigen groben Siliziumkristalle herausgebildet, das zurückgesetzte Aluminium ermöglicht den Aufbau eines beständigen Schmierfilmes.
Ein höherer Verschleißwiderstand von Aluminiumlegierungen kann durch eine Härtung durch Modifizierung der Substratoberflächen, beispielsweise durch Aufschmelzen der Oberfläche mit einem Laserstrahl, bereits erheblich verbessert werden. Die Folge ist eine Festigkeitssteigerung an der Oberfläche. Aus der Schrift EP 0 411 322 ist ein Verfahren bekannt, mit dem verschleißfeste Oberflächen an Bauteilen aus einer Al-Si-Legie- rung hergestellt werden. Hierzu werden die Oberflächen mit einer Schicht aus einem Binder, aus pulverförmigem Silizium, einem Impfmittel für primäre Siliziumkristalle und einem Flußmittel beschichtet und anschließend diese Beschichtung mittels Laserenergie eingeschmolzen. Die Zugabe von Hart- stoffen, beispielsweise in Form von Metallkarbiden oder Nitriden, bewirkt bereits eine beträchtliche Zunahme der Oberflächenhärte. Eine einfache Auftragsmethode der Legierungselemente wird durch Siebdrucktechnik erzielt.
Aus der Schrift DE 40 40 436 ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen aus Leichtmetallegierungen bekannt, bei dem mittels Hochenergiestrahlen - Laser- oder Elektronenstrahlen - die gesamte Zylinderlauffläche einer Phasenumwandlung fest-flüssigfest unterworfen wird und nachfolgend eine mechanische Nachbearbeitung erfolgt. Zur Steigerung der Oberflächenhärte können die Schichten mit geringen Anteilen Eisen oder Nickel legiert und mit Hartstoffen versehen sein. Die beispielsweise zu behandelnden Kolbenoberflächen werden in diesem Falle in einem ersten Verfahrensschritt mit einem ausgewählten Metall galvanisch vorbeschichtet .
Die bekannten Verfahren sind jedoch in ihren Legierungsanteilen auf Phasen beschränkt, die noch keine zufriedenstellende Härte aufweisen. Wünschenswert wäre eine weitere Steigerung der Verschleißbeständigkeit der Bauteiloberfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem besonders verschleißfeste Oberflächen geschaffen werden .
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung. Das Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbestandigen Verbundschicht auf der Oberflache eines Aluminiumlegierung-Substrates umfaßt das Anordnen eines Zusatzwerkstoffs auf der Oberflache des Substrates. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Legierung oder Pulvermischung, die Aluminium, Silizium und zumindest 15 Gew.% Eisen enthalt. Ein Bestrahlen der auf der Oberflache des Aluminiumlegierung-Substrates angeordneten oder zugefuhrten Legierung oder Pulvermischung mit einem Laser bewirkt, dass die Legierung oder Pulvermischung und ein oberflächlicher Anteil des Aluminiumlegierung-Substrates miteinander verschmelzen. Um eine Oxidation der Oberflache wahrend des Aufschmelzens bis zum Erkalten zu verhindern, wird das Verfahren bevorzugt unter inerter Atmosphäre ausgeführt. Das Erstarren der Schmelze erfolgt mit hohen Abkuhlraten zur Ausbildung eines feinen, homogenen Gefuges.
Überraschenderweise werden durch das Verfahren mit schneller Abkühlung aus der Schmelzphase weit höhere Eisengehalte als bisher bekannt in warmfeste und verschleißbestandige intermetallische Verbindungen eingebaut .
Der im Stand der Technik beschriebene Nachteil hoher Abkuhlraten, durch die beim Laserschmelzen zwar eine hohe Kornfeinheit erzielt wird, aber keine ausreichende Ausbildung des Primarsiliziums stattfindet, wird hierdurch überwunden. Vorteilhafterweise werden so betrachtlich längere Standzeiten bei Verschleißbeanspruchung und auch bei thermo-mechanischer Beanspruchung erzielt.
Durch gezielte Fuhrung des Laserstrahls über die Oberflache werden vorteilhafterweise an lokal begrenzten Bauteilpartien harte Verbundschichten mit Gefugefeinung gebildet, beispielsweise an den Stellen, die thermisch und mechanisch besonders beansprucht sind. In erster Linie bildet das beigemengte Eisen aus der Legierung oder Pulvermischung binäre intermetallische Verbindungen mit Aluminium und ternäre intermetallische Verbindungen mit Aluminium und Silizium. Der Gehalt des Eisens liegf'bevorzugt zwischen 15 und 30 Gew.%. In diesem Bereich bildet sich noch eine rißfreie Oberfläche der Verbundschicht aus.
Zu einem gewissen Anteil wird Silizium in der Verbundschicht durch eine übereutektische Al-Si-Legierung aus der Schmelze mit ausgeschieden. Eine vermehrte Siliziumausscheidung kann durch gezieltes Einbringen von geeigneten Keimbildnern weiter unterstützt werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, der Legierung oder Pulvermischung zur Bildung weiterer intermetallischer Verbindungen Kupfer und/oder Zink und/oder Vanadium hinzuzufügen. Der Kupfergehalt liegt bevorzugt zwischen 0 und etwa 15 Gew.%, der Zinkgehalt bevorzugt zwischen 0 und etwa 5 Gew.% und der Vanadiumgehalt bevorzugt zwischen 0 und etwa 7 Gew.%. Derartige Zusätze wirken sich hinsichtlich der Festigkeit, Zähigkeit und der Korrosionsbeständigkeit qualitätsverbessernd auf die gesamte Verbundschicht aus .
Besonders vorteilhaft ist eine Zumischung von keramischen Hartstoffen als Pulver in die Legierung oder Pulvermischung. Die keramischen Hartstoffe bestehen aus Metallkarbiden oder - Nitriden und bevorzugt aus SiC, WC, TiC oder Si3N4. Der Anteil der keramischen Hartstoffe liegt zwischen 0 und 50 Vol . % .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Hartstoffe in der Metallschmelze oberflächlich angeschmolzen, wodurch eine aufgerauhte Oberfläche der Pulverpartikel entsteht, die mit der kompakten Verbundschicht verzahnt. Dieses Anschmelzen der Hartstoffoberfläche tritt besonders bei Zugabe höherer Eisengehalte in Erscheinung. Eine bevorzugte Zusammensetzung der verschleißbeständigen Verbundschicht auf der Oberfläche eines Aluminiumlegierung- Substrates enthält einen Eisengehalt von 15 bis 30 Gew.% und besteht bevorzugt aus binären Aluminium- Eisen- und ternären Aluminium-Silizium-Eisen-Phasen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Herstellungsverfahren unter kontinuierlicher Zugabe des Zusatzwerkstoffes,
Fig. 2 Herstellungsverfahren unter vorherigem Aufbringen des Zusatzwerkstoffes .
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Herstellungsverfahren unter kontinuierlicher Zugabe des Zusatzwerkstoffes dargestellt. Dazu wird die Oberfläche eines Aluminiumlegierung-Substrates 1 unter einem Laserstrahl 4 durchbewegt. Die Bewegung 7 erfolgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 mm bis 1 m pro Minute. Der Zusatzwerkstoff 5 wird in Form von Bändern, Drähten oder Pulver unmittelbar im Auftreffpunkt des Las'erstrahls zugeführt und zu einem Schmelzbad 3 aufgeschmolzen. Bei dieser Vorgehensweise bildet sich die Verbundschicht 2 genau an den Auftreffstellen des Lasers, an den Auftreffstellen besitzt der Strahl einen ungefähren Durchmesser von 3 bis 8 mm.
Diese Methode ist besonders für eine lokale Schichtbildung geeignet, bei der jede weitere Strukturierung der Oberfläche entfällt. Die Zugabe von Pulvermischungen kann ohne weitere Bindermaterialien mittels eines Sprayverfahrens erfolgen. Die Erstarrung der Schmelze mit hohen Abkuhlraten zur Ausbildung eines feinen, homogenen Gefuges kann auch über eine zusätzliche Kühlung der Substratoberflache oder des gesamten Substratmaterials erfolgen.
In einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist der Zusatzwerkstoff bereits vor dem Aufschmelzen auf die Oberflache 6 aufgebracht. Bevorzugt erfolgt bei flachenhaften Verbundschichten das Aufbringen des Werkstoffes durch Belegung der Substratoberflache in Form von Bandern und Tafeln. Lokal aufgebrachte Verbundschichten werden durch vorherige Strukturierung der Oberflache, beispielsweise durch Siebdruck, unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen in Pulverform gebildet.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht (2) auf der Oberfläche eines Aluminiumlegierung-Substrates (1) , das folgende Schritte umfaßt : a) Anordnen oder Zuführen eines Zusatzwerkstoffs (5, 6) , bestehend aus einer Legierung oder Pulvermischung, die Aluminium, Silizium und zumindest 15 Gew.% Eisen enthält, auf der Oberfläche des Aluminiumlegierung-Substrates, b) Bestrahlen des auf der Oberfläche des Aluminiumlegierung-Substrates (1) angeordneten bzw. zugeführten Zusatzwerkstoffes (5, 6) mit einem Laser (4), um die Legierung oder Pulvermischung und einen Oberflächenanteil des Aluminiumlegierung-Substrates zu verschmelzen. c) Erstarrung der Schmelze (3) mit hohen Abkühlraten zur Ausbildung eines feinen, homogenen Gefuges.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen aus der Legierung oder Pulvermischung intermetallische Verbindungen mit Aluminium oder mit Silizium und Aluminium bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Eisen bevorzugt zwischen 15 und 30 Gew.% liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Silizium durch eine übereutektische Al-Si- Legierung aus der Schmelze ausgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierung oder Pulvermischung zur Bildung weiterer intermetallischer Verbindungen Kupfer und/oder Zink und/oder Vanadium zugefügt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt zwischen 0 und etwa 15 Gew.% liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinkgehalt zwischen 0 und etwa 5 Gew.% liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vanadiumgehalt zwischen 0 und etwa 7 Gew.% liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung oder Pulvermischung keramische Hartstoffe als Pulverr enthält .
10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Hartstoffe aus Metallkarbiden oder -Nitriden und bevorzugt aus SiC, WC, TiC oder Si3N4 bestehen.
11.Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil keramischer Hartstoffe zwischen 0 und 50 Vol.% liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffe in der Metallschmelze oberflächlich anschmelzen und mit den Metallanteilen der Verbundschicht verzahnen.
13.Verschleißfeste Verbundschicht auf der Oberfläche eines
Aluminiumlegierung-Substrates, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Eisengehalt von zumindest 15 Gew.%, bevorzugt bestehend aus binären Aluminium-Eisen-Phasen oder ternären Aluminium-Silizium-Eisen-Phasen.
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