WO2011083134A1 - Verfahren zur herstellung von funktionsschichten auf der oberfläche von werkstücken, eine so hergestellte funktionsschicht und ein entsprechendes werkstück - Google Patents

Verfahren zur herstellung von funktionsschichten auf der oberfläche von werkstücken, eine so hergestellte funktionsschicht und ein entsprechendes werkstück Download PDF

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WO2011083134A1 PCT/EP2011/050125 EP2011050125W WO2011083134A1 WO 2011083134 A1 WO2011083134 A1 WO 2011083134A1 EP 2011050125 W EP2011050125 W EP 2011050125W WO 2011083134 A1 WO2011083134 A1 WO 2011083134A1
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WO
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workpiece
functional layer
laser
electron beam
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Ulf Waag
Hans Keller
Hans-Peter Baldus
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HC Starck GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing functional layers, in particular wear and / or corrosion protection layers, on the surface of workpieces. It further relates to a functional layer produced by the method and a work ⁇ piece with functional layer. In this case, correspondingly stressed surfaces or areas of the surface of essentially metallic workpieces are provided with such layers, in order to increase the service life under corresponding ambient or operating conditions. It can also be compensated for workpieces due to use occurring wear or otherwise occurred ⁇ ner material removal again.
  • Such functional layers are provides ⁇ Herge by material deposition with thermal processes. They are made of a different material than the actual workpiece, and the properties of workpiece material and functional layer material differ in order to meet different func ⁇ ons can. Functional layers can be used in particular for a reduction of the wear, for improved tribological properties or also a better protection against corrosion.
  • films have been used in which suitable metals and hard materials in particulate form are contained in an organic matrix. These films are thereby at the respective 0- ber Design a workpiece placed and then intra ⁇ half of a furnace sintered, wherein in the He warming ⁇ the organic constituents will only be trie ⁇ ben before the sintering is carried out or in of the film given with low Temperature-melting component melts.
  • the procedure is such that an egg with ⁇ nem polymer are embedded in the metallic particles formed precursor to a posi- tioned and with a radio ⁇ tion layer percarbonate surface portion is brought into contact with the surface. Then, the surface with a La ⁇ serstrahl or electron beam, with simultaneous relative movement of workpiece and laser or electron beam is irradiated. As a result, organic constituents of the precursor are thermally decomposed and the
  • the thermal decomposition should be largely completed at least before the start of the on ⁇ melting. This can be achieved by specifically influencing the temperature increase in the irradiated area.
  • the power of the radiation source, the energy density in the focal spot as well as the Bestrah ⁇ averaging time, for example, can be selected directly by a suitable Vorschubge ⁇ speed.
  • the organic components is first thermally decomposed upon irradiation, at least the major part (main ⁇ part), and if then at least the majority of the metal is at least partially ⁇ melted while being the function layer ⁇ is formed.
  • the usable in the invention sheet-shaped precursors may be formed depending on the desired function ⁇ layer. This relates to their Ges ⁇ Talt, shape, dimensions and consistency. Thus, it is also possible to use flexibly deformable films already known from the state of the art, which contain metal and optionally also hard material particles. Films which can be used in the invention ren precursors can be used, provide flat elements represents the particles in a polyme ⁇ ren matrix are embedded so that the particles are fixed at normal ambient temperature are maintained within the film. The particles may change a minimum temperature jewei their ⁇ celled position only during the thermal treatment which is carried out according to the invention with one or Elect ⁇ Ronen radiating laser beam, and the crossing.
  • these films When positioning and in contact with the surface of the workpiece on which a functional layer is to be formed, these films can be adapted to a limited surface contour.
  • functional layers can be used on convexly or concavely curved surfaces with minimum radii. It can be considered different ⁇ Liche shapes and geometries.
  • Such films can be used with suitable and also over the surface of constant thickness.
  • the fat should be in the range of 0.01 mm up to 10 mm.
  • Curing or polymerization to fix the precursor in the surface contour of the workpiece corresponding shape before it is brought into contact with the respective workpiece surface can be used.
  • Polymerization may be achieved by irradiation with suitable electromagnetic radiation, e.g. UV radiation can be achieved.
  • Shaping can also be done with a suitably viscous resin which is poured into a mold and cured therein. The resin then contains dispersed metal and optionally additionally hard material particles.
  • precursors prepared in this way still contain polymer.
  • Organic components are only thermally decomposed during irradiation. Pre-sintering of metallic particles should not have taken place.
  • hard material particles In addition to metallic particles and at least one hard material in particle form in precursors may be contained ⁇ th, which lends itself especially in the production of wear-resistant coatings. Hard material particles can also be provided with a metallic shell or bound to metal particles.
  • hard materials usually have an at least compared to the workpiece material an increased hardness. As a result, the wear protection can be improved.
  • Hard materials should have a hardness of at least 1000 HV. Advantageously, they should also have better chemical or resistance to corrosion. have.
  • precursors can be used to ⁇ , in which iron, copper, aluminum, Ti tan, tungsten, cobalt or nickel are contained as metal is preferred.
  • alloys of these metals may also be included.
  • hard materials the known carbides, borides or nitrides can be used.
  • hard-material properties are also suitable oxides.
  • Combinations of these compounds, e.g. Carbonitrides are used as hard materials in the invention.
  • particulate diamond can also be used as hard material.
  • the respective metal, hard material and / or polymer components can be matched to the respective desired properties of a functional layer to be produced.
  • the content of organic matter should not exceed 20% by mass.
  • the Me ⁇ tallanteil should be so large that a binder radio ⁇ tion of the metal can be satisfied for ent ⁇ maintained in a functional layer of hard material particles.
  • organic constituents for a precursor or ⁇ ganic binders can be used together with plasticizers. These should be at a temperature below 400 ° C, may preferably be decomposed ther ⁇ mixing below 350 ° C.
  • Preferred polymers having a Tc ceiling temperature up to 200 C acrylates HA logentechnisch
  • polyolefins such as PTFE, polyacetates, poly, or polymethacrylates or their copolymerizable acid, such as polyalkylene oxides, polyvinyl alcohols or de ⁇ ren derivatives (polyvinyl acetates, polyoxymethylene, or polyvinyl butyrates).
  • polymeric binder from the group of poly- alkylene carbonates, in particular polypropylene carbonate.
  • the usable polymers should by means of a solvent using well ⁇ soluble and with other additives, such as dispersants to be used.
  • the polymer which binds the particulate solids should be usable as a suspension with suitable viscosity and sufficient stability and be thermally decomposable without leaving any residue. This can be achieved with polyoxymethylene, polyacrylate or polymethacrylate, which depolymerize, so that then the released monomer can burn or evaporate.
  • the durability and manageability of the precursors can be improved in the greenest state. Cracking during drying can be avoided.
  • plasticizers include phthalates (such as benzyl phthalate, glues, waxes, gelatin, dextrin, gum arabic, oils, in particular ⁇ sondere paraffin or polymers such as poly-alkylenes, in particular polyethylene.
  • phthalates such as benzyl phthalate, glues, waxes, gelatin, dextrin, gum arabic, oils, in particular ⁇ sondere paraffin or polymers such as poly-alkylenes, in particular polyethylene.
  • a plasticizer can penetrate into the network structure of the polymeric binder and thereby reduce the viscosity.
  • suitable choice of polymer (s) and plasticizer (s) and the respective contained shares may be advantageously influenced the tensile strength, deformability and Dehn ⁇ bility. also plasticity fizierer should thermally at the previously mentioned temperatures for the polymers thereby residueless can be decomposed freely.
  • the at least one polymer contained in a precursor should well absorb the particular laser radiation used or contain suitable better absorbing additives.
  • Precursors may advantageously ⁇ fixed by means of a bonding agent (eg, a pressure sensitive adhesive or melt adhesive) to the workpiece surface ⁇ to before the irradiation.
  • a bonding agent eg, a pressure sensitive adhesive or melt adhesive
  • the corresponding surface of the precursor can be coated with a bonding agent.
  • a so-prepared precursor to the workpiece surface can be applied and the solution ⁇ obtained by means of a sufficiently strong cohesive Ver ⁇ bond after removal.
  • the precursors may be joined together using a adhesion promoter ⁇ intermediary. But it can also precursors that are multi-layered, in which he ⁇ invention are used. This results in the Mög ⁇ friendliness to process precursors which have under ⁇ Kunststoffliche consistency / texture. Thus, different particles can be embedded in a polymer, different proportions in the precursors thus used can be maintained or reduced. be contained different particle sizes.
  • a leveling layer may also have barrier effect in order to avoid chemical reactions or diffusion between constituents of the actual functional layer and the workpiece material.
  • a functional layer there is also the possibility of structuring a functional layer to be produced when using a plurality of precursors.
  • a game directly arranged on the Maschinen Swissoberflä ⁇ che precursor may be present examples, a further pre-product is arranged on the surface thereof in at least one other area.
  • the surface of another precursor may be smaller than the area of directly on the workpiece surface is arranged ⁇ precursor, so no voll Pli ⁇ ge overlap occurs.
  • beispielswei ⁇ se stripes or other patterns can form at a functional layer. This can be advantageous, for example, for roll-shaped surfaces of tools. In this form, however, it is also possible to obtain regions with different properties on a functional layer.
  • a separating shaping of the precursors used can also be carried out. This can advantageously also be done with the same energy beam, which is also used for the thermal formation of the functional layer.
  • the movement of the focal spot with higher Vorschubgeschwindig ⁇ ness can then be performed and / or the focal spot can be moved with size ⁇ rer energy density along the contour to be cut. After cutting, it is not possible to remove parts of an intermediate product to be used for the formation of the functional layer . These can then be used for the production of another functional layer or recycled, whereby the costs can be reduced.
  • the irradiation of the precursor can be carried out, at least for the thermal decomposition of organic components, so that the focal spot is not arranged in the focal plane, that is, the energy beam is focused.
  • Nd: YAG, diode or fiber lasers can preferably be used as the radiation sources.
  • the flowability is an on ⁇ requirement which must be satisfied, is to be melted when only powder for a thermal contract supplied to a workpiece surface and then at least partially listed.
  • FIG. 1 to 3 micrographs in various magnifications of a functional layer prepared according to Example 1.
  • example 1 With a conventional film casting process, a film was prepared, as a precursor, with a constant thickness of 1.5 mm.
  • the film AI contained 2% by mass of organic components, namely polypropylene carbonate and as plasticizer propylene carbonate.
  • tungsten carbide which is commercially available under the trade ⁇ designation Macroline, ym in a particle size range 63-180 ym well as a metal binder 39% by mass of a nickel-based alloy (3% silicon, 3 mass % Boron and the balance nickel).
  • Macroline is a tungsten carbide in which each
  • Hard material particles from WC with a thin layer of mono-tungsten carbide (mono-WC) is enveloped. This layer largely prevents a dissolution of the hard particles during the heat input. From the film AI were strips having a width of
  • the greenest but flexible deformable film was placed on a workpiece surface and on ⁇ closing with one of a Nd-YAG laser light source whose maximum power is 3 kW be ⁇ carries irradiated.
  • the laser light source was operated at a power of 700 W continuously (cw-mode).
  • the focal spot was moved over the surface of the film AI at a feed rate of 2000 mm / min.
  • the nickel-based alloy was melted after the organic components were thermally decomposed and so removed from the precursor.
  • protective gas argon was supplied during the irradiation.
  • the wear protection layer formed in this way was finally formed with a matrix of the nickel-based alloy in which the hard particles were embedded in a homogeneous distribution.
  • the proportions by weight ent ⁇ speak about the output units minus the 2% by weight of the organic components, which were removed by the thermal decomposition. This was a workpiece made of a low-alloyed
  • FIGS. 1 to 3 The functional layer produced on the workpiece surface produced in this way is shown in FIGS. 1 to 3 as a microsection.
  • Example 2 As in Example 1, a film A2, produced by a conventional Fo ⁇ lieng tellclar as a precursor, which had a constant thickness of 2.0 mm on ⁇ .
  • the film A2 contained 59% by weight of hard material particles, 39% by weight of metallic particles and 2% by weight of organic components.
  • the hard material particles mixture contained 80 mass% of tungsten carbide (Macroline) having a particle diameter in the range ⁇ 63 ym to 180 ym. In addition, 20% by mass of mono-WC (type DM 300, available from HC
  • the NdYAG laser had a maximum power of 3 kW. During irradiation, it was operated in cw mode with a power of 700 W.
  • the focal spot was moved at a speed of Vorschubgeschwindig ⁇ about 2000 mm / min over the surface of ro ⁇ animal steel pipe in the precoat ⁇ th with the film A2 region.
  • a uniform movement of the focal spot could be performed over the circumference (annular) with an offset after each revolution or a spiral movement, so that annular or spiral tracks could be formed on the foil A2.
  • Argon was used as protective gas.
  • the wear protection layer formed thereby was formed exclusively from a matrix of the nickel-based alloy in which the hard material particles were embedded in a homogeneous distribution.
  • the proportions by weight ⁇ schl redesignstoffstoff contained in the said Ver corresponds to those of the starting materials used, less the portion of organic components, the had been removed during the thermal decomposition.
  • Example 3 As in Example 1, with a conventional
  • the first film A3 contained 98% by weight of tungsten carbide (MTC Macroline) and 2% by mass of organic components, as was the case with Example 1.
  • the second film B3 contained 97 mass% of a nickel-based alloy in the ⁇ 3% silicon, 3% boron by mass were hold as alloying elements and the balance nickel ent ⁇ and 3% by weight organic components corresponding to those of Example 1 ,
  • the green solid flexible deformable strip of the film B3 was fixed with the water-soluble adhesion promoter acrylated sol ASE 60 on the surface inside a nied ⁇ rigleg investigating steel pipe annularly on the inner wall fitting, so that the film B3 anlag entire surface against the corresponding surface.
  • the steel pipe had previously been sandblasted again.
  • the greenest and flexibly deformable strip of film B3 was correspondingly fixed with the same adhesion promoter on the surface of the strip of film A3 over its entire surface. Both strips were glued to the ends on impact.
  • the thus prepared steel pipe was tensioned by means of a chuck on the outer diameter, so that it could be rotated at a speed of 5 rpm.
  • the inwardly facing surface of the layer structure formed from the strip was again irradiated with a La ⁇ serstrahl, with the same parameters as in Example 2.
  • FIG. The focal spot of the laser beam was again guided over the surface of the layer structure as in Example 2.
  • the nickel-based alloy of the film B3 was melted and infiltrated into the matrix of the film A3 formed essentially with the tungsten carbide . These processes took place after the organic components had been thermally decomposed and removed. Argon was again used as shielding gas.
  • the wear protection layer produced thereby was of a matrix of the nickel-base alloy in which
  • Hard material particles were embedded in a homogeneous distribution, has been formed.
  • the resulting function ⁇ layer had 60% by weight of tungsten carbide and 40% by mass of nickel-based alloy.
  • the first film A4 contained 98% by mass of tungsten carbide (MTC Macroline) and 2% by mass of organic components, as was the case in Example 1 .
  • the second film B4 contained 97 mass "6 ⁇ 1 ⁇ Nickel-based alloy in which 3% by mass of silicon, 3% by mass of boron were contained as alloying elements and the remainder Ni ⁇ ckel and 3% by mass of organic Kom ⁇ components corresponding to those of Example 1.
  • the third foil C4 contained 97% by mass of a pitch Elba ⁇ sislegtechnik in which 0.2 mass% of carbon, 4.0 mass% of chromium, 0.5 mass% boron, 2.5% silicon and the balance Contained nickel and 3% by mass of organic components, as in Example 1.
  • the green solid flexibly deformable sheet C4 was applied over the entire surface with the water-soluble adhesion promoter acrylated sol ASE 60 on the surface of a pre-rays by sand ⁇ purified workpiece.
  • the workpiece was a cast part made of EN-GJN-HV600 (2.1% carbon by mass, 23% chromium by mass, 0.7% by mass silicon and the remainder iron).
  • the focal spot of the laser beam was moved at a feed rate of 2000 m / min over the irradiated surface.
  • the nickel-based alloy contained in film B4 is melted. This nickel-based alloy infiltrated into the layer containing the hard particles, which was formed with the film A4.
  • the Nickelbasisle ⁇ Government of the foil C4 merely melted and therefore material a compensating layer between the workpiece and schlndstofftik form the Ver ⁇ according to the invention, whose essential radio ⁇ tion prevention of Carbon diffusion is.
  • Argon was also used as a protective gas in the thermal treatment with the laser beam ⁇ .
  • the functional layer produced in this way was formed with a leveling layer of the nickel-based alloy directly on the surface of the workpiece material and thereon a matrix of a nickel-base alloy in which WC hard material particles were embedded.
  • the matrix was formed with 60 mass tungsten carbide and 40 mass% of the nickel base alloy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten, insbesondere Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten, auf der Oberfläche von Werkstücken. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für die Herstellung von Funktionsschichten auf Werkstückoberflächen anzugeben, bei denen unterschiedlichste Funktionsschichten einfach, flexibel und kostengünstig hergestellt werden können und keine Beeinflussung des eigentlichen Werkstückwerkstoffs hervorgerufen wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein mit einem Polymer gebildetes folienförmiges Vorprodukt, in dem metallische Partikel eingebettet sind, zu einem mit einer Funktionsschicht zu versehenden Oberflächenbereich eines Werkstücks positioniert und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, bei gleichzeitiger Relativbewegung von Werkstück und Laser- oder Elektronenstrahl, bestrahlt. Bei der Bestrahlung werden organische Bestandteile des Vorprodukts thermisch zersetzt und das Metall zumindest teilweise aufgeschmolzen und dabei die Funktionsschicht ausgebildet wird. Dabei beginnt die thermische Zersetzung vor dem Aufschmelzen.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON FUNK IONSSCHICHTEN AUF DER OBERFLÄCHE VON WERKSTÜCKEN, EINE SO HERGESTELLTE FUNKTIONSSCHICHT UND EIN ENTSPRECHENDES
WERKSTÜCK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten, insbesondere Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten, auf der Oberfläche von Werkstücken. Sie betrifft weiter eine mit dem Verfahren hergestellte Funktionsschicht und ein Werk¬ stück mit Funktionsschicht. Dabei werden entsprechend beanspruchte Oberflächen oder Bereiche der Oberfläche von im Wesentlichen metallischen Werkstücken mit solchen Schichten versehen, um die Lebensdauer bei entsprechenden Umgebungs- oder Einsatzbedingungen zu erhöhen. Es kann auch an Werkstücken einsatzbedingt aufgetretener Verschleiß oder anderweitig aufgetrete¬ ner Werkstoffabtrag wieder ausgeglichen werden.
Üblicherweise werden solche Funktionsschichten durch Werkstoffauftrag mit thermischen Verfahren herge¬ stellt. Sie sind aus einem anderen Werkstoff als das eigentliche Werkstück gebildet, und die Eigenschaften von Werkstückwerkstoff und Funktionsschichtwerkstoff unterscheiden sich dabei, um unterschiedliche Funkti¬ onen erfüllen zu können. Funktionsschichten können insbesondere für eine Reduzierung des Verschleißes, für verbesserte tribologische Eigenschaften oder auch einen besseren Schutz vor Korrosion eingesetzt werden .
Dabei wird beispielsweise pulvermetallurgisch ein
Auftrag durchgeführt, bei dem auf die jeweilige Werk¬ stückoberfläche ein Pulver aufgebracht und dann eine Erwärmung bis zum Aufschmelzen durchgeführt wird. Dabei kann die zur Erwärmung führende Energie in unterschiedlicher Form aufgebracht werden. Häufig wird La- serstrahlung hierfür eingesetzt. Dabei ist es aber schwierig, eine homogene Schicht und insbesondere ei¬ ne konstante Schichtdicke mit einem homogenem Werk¬ stoff innerhalb des Volumens der Schicht zu errei- chen. Außerdem können Verluste des eingesetzten Pulvers nicht vermieden werden, was einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.
Lediglich begrenzt können diese Nachteile beseitigt werden, indem ein Auftrag eines Pulvers mit einem ge¬ eigneten Binder in pastöser Konsistenz erfolgt, wie dies beispielsweise in DE 39 36 479 AI beschrieben ist . Es ist auch bekannt, metallische plattenförmige Ele¬ mente, die aus einer geeigneten Metalllegierung gebildet sind, aufzuschweißen. Damit können aber nicht alle gewünschten Eigenschaften von Funktionsschichten erreicht werden.
In der jüngeren Vergangenheit wurden Folien eingesetzt, in denen geeignete Metalle und Hartstoffe in Partikelform in einer organischen Matrix enthalten sind. Diese Folien sollen dabei auf die jeweilige 0- berfläche eines Werkstücks aufgelegt und dann inner¬ halb eines Ofens gesintert werden, wobei bei der Er¬ wärmung die organischen Bestandteile erst ausgetrie¬ ben werden, bevor die Sinterung erfolgt oder eine in der Folie enthaltene bei niedriger Temperatur schmel- zende Komponente schmilzt.
Hierfür sind aber hohe Temperaturen oberhalb 900 °C erforderlich, die aber Veränderungen im Gefüge des Werkstückwerkstoffs hervorrufen, was wiederum uner- wünscht ist, da dessen Eigenschaften für die jeweili¬ ge Applikation bzw. Belastung des Werkstücks ausge- wählt sind.
Bei Versuchen Funktionsschichten mit dem Einsatz solcher Folien und üblichen thermischen Verfahren hat es sich herausgestellt, dass bei Einsatz von Plasma, wie dem PDA-Verfahren, ein Verbrennen auftritt und eine Ausbildung von Funktionsschichten nicht möglich war.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für die Herstellung von Funktionsschichten auf Werkstückoberflächen anzugeben, bei denen unterschiedlichste Funktionsschichten einfach, flexibel und kostengünstig hergestellt werden können und keine Beeinflussung des eigentlichen Werkstückwerkstoffs hervorgerufen wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfah¬ ren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, ge¬ löst. Anspruch 12 ist auf eine mit dem Verfahren her- gestellte Funktionsschicht und Anspruch 13 auf ein
Werkstück mit Funktionsschicht gerichtet. Vorteilhaf¬ te Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisiert werden.
Erfindungsgemäß wird so vorgegangen, dass ein mit ei¬ nem Polymer, in dem metallische Partikel eingebettet sind, gebildetes Vorprodukt zu einem mit einer Funk¬ tionsschicht zu versehenden Oberflächenbereich posi- tioniert und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Anschließend wird die Oberfläche mit einem La¬ serstrahl oder Elektronenstrahl, bei gleichzeitiger Relativbewegung von Werkstück und Laser- oder Elektronenstrahl, bestrahlt. Dadurch werden organische Be- standteile des Vorprodukts thermisch zersetzt und das
Metall zumindest teilweise aufgeschmolzen und dabei die Funktionsschicht ausgebildet. Dabei zersetzt sich zumindest ein Hauptteil der organischen Komponenten und ein überwiegender Teil der metallischen Partikel sollte aufgeschmolzen werden. Bei dieser thermischen Behandlung können die unterschiedlichen Temperaturen ausgenutzt werden. So liegen die Temperaturen bei denen eine thermische Zersetzung auftritt (in der Regel zwischen 200 °C bis 500 °C) in den überwiegenden Fällen unterhalb der Schmelztemperatur einsetzbarer Me- talle oder Metalllegierungen, so dass die thermische
Zersetzung vor dem Aufschmelzen beginnt. Die thermische Zersetzung sollte zumindest vor Beginn des Auf¬ schmelzens weitestgehend abgeschlossen sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Temperaturer- höhung im bestrahlten Bereich gezielt beeinflusst wird. Hierfür kann die Leistung der Strahlungsquelle, die Energiedichte im Brennfleck sowie die Bestrah¬ lungszeit, z.B. durch eine geeignete Vorschubge¬ schwindigkeit, gezielt gewählt werden.
Insbesondere ist es daher also günstig, wenn bei der Bestrahlung zumindest der überwiegende Teil (Haupt¬ teil) der organischen Bestandteile zuerst thermisch zersetzt wird, und wenn danach zumindest der überwie- gende Teil des Metalls zumindest teilweise aufge¬ schmolzen wird und dabei die Funktionsschicht ausge¬ bildet wird.
Die bei der Erfindung einsetzbaren folienförmigen Vorprodukte können je nach gewünschter Funktions¬ schicht ausgebildet sein. Dies betrifft deren Ges¬ talt, Form, die Dimensionierung und die Konsistenz. So können auch bereits aus dem Stand der Technik bekannte flexibel verformbare Folien, die Metall- und ggf- auch Hartstoffpartikel enthalten, eingesetzt werden. Folien, die bei bei der Erfindung einsetzba- ren Vorprodukten eingesetzt werden können, stellen flächige Elemente dar, die Partikel in einer polyme¬ ren Matrix so eingebettet sind, dass die Partikel bei normaler Umgebungstemperatur fixiert innerhalb der Folie gehalten sind. Die Partikel können ihre jewei¬ lige Position erst bei der thermischen Behandlung, die erfindungsgemäß mit einem Laserstrahl oder Elekt¬ ronenstrahl erfolgt, und dem Überschreiten eine Mindesttemperatur verändern. Bis dahin sind alle Partikel im Polymer gehalten und es können keine Partikel vorab heraus fallen. Eine gewünschte Verteilung der Partikel innerhalb der polymeren Matrix bleibt erhal¬ ten, so dass eine reproduzierbare Funktionsschicht¬ ausbildung mit jeweils gewünschter Homogenität über die Fläche und/oder das Volumen der erfindungsgemäß hergestellten Funktionsschicht möglich ist. Dadurch lassen sich diese Nachteile des Pulverauftragsschwei¬ ßens, auch bei Einsatz von Pasten, mit Laserstrahlung vermeiden, da bei diesen bekannten Verfahren nicht ausreichend gewährleistet werden kann, dass die Par¬ tikel in der gewünschten Verteilung, insbesondere homogener Verteilung als Funktionsschicht aufgetragen werden können. Solche Folien können im Foliengussverfahren hergestellt werden. Bei Positionierung und in Kontaktbringen mit der Oberfläche des Werkstücks an der eine Funktionsschicht ausgebildet werden soll, können sich diese Folien begrenzt an eine Oberflächenkontur an- passen. So können Funktionsschichten beispielsweise an konvex oder konkav gekrümmten Oberflächen mit Mindestradien eingesetzt werden. Es können unterschied¬ liche Formen und Geometrien berücksichtigt werden.
Solche Folien können mit geeigneter und auch über die Fläche konstanter Dicke eingesetzt werden. Die Dicke sollte im Bereich 0,01 mm bis hin zu 10 mm liegen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein Vorprodukt in eine der Oberflächenkontur des zu beschichtenden Werkstücks angepasste Form zu bringen und dann durch
Aushärtung oder Polymerisation das Vorprodukt in der der Oberflächenkontur des Werkstücks entsprechenden Form zu fixieren, bevor es mit der jeweiligen Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird. In diesem Fall können geeignete Polymere oder Polymervorstufen eingesetzt werden. Eine Polymerisation kann durch eine Bestrahlung mit geeigneter elektromagnetischer Strahlung, z.B. UV-Strahlung erreicht werden. Eine Formgebung kann aber auch mit einem geeignet viskosen Harz, das in eine Form gegossen und darin ausgehärtet wird, erfolgen. Im Harz sind dann Metall- und ggf. zusätzlich Hartstoffpartikel dispergiert enthalten.
So vorbereitete Vorprodukte enthalten aber weiterhin noch Polymer. Organische Bestandteile werden erst bei der Bestrahlung thermisch zersetzt. Eine Vorsinterung metallischer Partikel sollte nicht erfolgt sein.
Neben metallischen Partikeln kann in Vorprodukten auch mindestens ein Hartstoff in Partikelform enthal¬ ten sein, was sich insbesondere bei der Herstellung von Verschleißschutzschichten anbietet. HartstoffPartikel können dabei auch mit einer metallischen Hülle versehen oder an Metallpartikel gebunden sein.
Dabei weisen Hartstoffe üblicherweise eine zumindest gegenüber dem Werkstückwerkstoff eine erhöhte Härte auf. Dadurch kann der Verschleißschutz verbessert werden. Hartstoffe sollten eine Härte von mindestens 1000 HV aufweisen. Vorteilhaft sollten sie auch eine bessere chemische oder Beständigkeit gegenüber Korro- sion aufweisen.
Bei der Erfindung können Vorprodukte eingesetzt wer¬ den, in denen bevorzugt Eisen, Kupfer, Aluminium, Ti- tan, Wolfram, Cobalt oder Nickel als Metall enthalten sind. Selbstverständlich können auch Legierungen dieser Metalle enthalten sein.
Als Hartstoffe können die an sich bekannten Carbide, Boride oder Nitride eingesetzt werden. Hierfür sind aber auch Hartstoffeigenschaften aufweisende Oxide geeignet. Es können auch Kombinationen dieser Verbindungen, wie z.B. Carbonitride als Hartstoffe bei der Erfindung eingesetzt werden. Daneben kann auch partikelförmiger Diamant als Hartstoff genutzt werden.
Die jeweiligen Metall-, Hartstoff- und/oder Polymeranteile können auf die jeweils gewünschten Eigenschaften einer herzustellenden Funktionsschicht abge- stimmt werden. Der Anteil an organischen Stoffen sollte jedoch 20 Masse-% nicht übersteigen. Der Me¬ tallanteil sollte so groß sein, dass eine Binderfunk¬ tion des Metalls für in einer Funktionsschicht ent¬ haltene Hartstoffpartikel erfüllt werden kann. Als organische Bestandteile für ein Vorprodukt können or¬ ganische Binder gemeinsam mit Plastifizierern eingesetzt werden. Diese sollten bei einer Temperatur unterhalb 400 ° C, bevorzugt unterhalb 350 ° C ther¬ misch zersetzt werden können. Bevorzugte Polymere mit einer Tc Ceiling-Temperatur bis zu 200 C können ha- logenierte Polyolefine, , wie PTFE, Polyacetate, Poly- acrylate, oder Polymethacrylate oder deren Copolyme- re, wie Polyalkylenoxide, Polyvinylalkohole oder de¬ ren Derivate (Polyvinylacetate, Polyoxymethylen, oder Polyvinylbutyrate) eingesetzt werden. Besonders be¬ vorzugt sind polymere Binder aus der Gruppe der Poly- alkylencarbonate, insbesondere Polypropylencarbonat . Mit diesen Polymeren können bei der Herstellung von Vorprodukten die Feststoffpartikel in der Matrix eingebettet und mit dem Vorprodukt verbunden werden. Die einsetzbaren Polymere sollten mittels eines Lösungs¬ mittels gut löslich und mit weiteren Additiven, wie z.B. Dispergiermitteln einsetzbar sein. Das die partikelförmigen Feststoffe bindende Polymer sollte als Suspension mit geeigneter Viskosität und ausreichen- der Stabilität einsetzbar und rückstandsfrei ther¬ misch zersetzbar sein. Dies kann mit Polyoxymethylen, Polyacrylat oder Polymethacrylat erreicht werden, die depolymerisieren, so dass dann das dabei frei gesetzte Monomer verbrennen oder verdampfen kann.
Mit einem Polymer als Binder kann die Haltbarkeit und Handhabbarkeit der Vorprodukte in grünfestem Zustand verbessert werden. Eine Rissbildung beim Trocknen kann vermieden werden.
Geeignete Plastifizierer (Weichmacher) sind beispielsweise Phthalate, (wie Benzylphthalat , Leime, Wachse, Gelatine, Dextrin, Gummiarabicum, Öle, insbe¬ sondere Parafinöl oder auch Polymere, wie z.B. Poly- alkylene, insbesondere Polyethylen. Mit einem oder mehreren Plastifizierern kann die Glasübergangstemperatur des polymeren Binders reduziert und die flexib¬ le Verformbarkeit des Vorprodukts verbessert werden. Ein Plastifizierer kann in die Netzstruktur des poly- meren Binders eindringen und dadurch die Viskosität herabsetzen. Durch geeignete Wahl von Polymer (en) und Plastifizierer (n) sowie der jeweiligen enthaltenen Anteile kann die Reißfestigkeit, Verform- und Dehn¬ barkeit vorteilhaft beeinflusst werden. Auch Plasti- fizierer sollten bei den vorab zu den Polymeren genannten Temperaturen thermisch und dabei rückstands- frei zersetzt werden können.
Das mindestens eine in einem Vorprodukt enthaltene Polymer sollte die jeweilige eingesetzte Laserstrah- lung gut absorbieren oder entsprechend geeignete bes¬ ser absorbierende Additive enthalten.
Vorprodukte können vorteilhaft mit Hilfe eines Haft¬ vermittlers (z.B. eines Haftklebstoffes oder Schmelz- klebstoffes) an der Werkstückoberfläche fixiert wer¬ den, bevor die Bestrahlung erfolgt. Dabei kann die entsprechende Oberfläche des Vorprodukts mit einem Haftvermittler beschichtet sein. Für eine entspre¬ chende Fixierung eines Vorprodukts an der Werkstoff- Oberfläche kann auch ein Anlösen des Polymers oder einer im Vorprodukt enthaltenen organischen Komponente mit einem geeigneten Lösungsmittel, mit dem die Oberfläche benetzt wird, erfolgen. Anschließend kann ein so vorbereitetes Vorprodukt auf die Werkstück- Oberfläche aufgelegt und nach Entfernung des Lösungs¬ mittels eine ausreichend feste Stoffschlüssige Ver¬ bindung erhalten werden.
Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit auch mehr als ein Vorprodukt für die Herstellung einer Funkti¬ onsschicht einzusetzen. Dabei können mindestens zwei Vorprodukte einen Mehrschichtaufbau bilden. In diesem Fall können die Vorprodukte mit Hilfe eines Haftver¬ mittlers miteinander verbunden sein. Es können aber auch Vorprodukte, die mehrschichtig sind, bei der Er¬ findung eingesetzt werden. Damit ergibt sich die Mög¬ lichkeit, Vorprodukte zu verarbeiten, die eine unter¬ schiedliche Konsistenz/Beschaffenheit aufweisen. Es können also unterschiedliche Partikel in einem Poly- mer eingebettet, unterschiedliche Anteile in den so eingesetzten Vorprodukten eingehalten oder unter- schiedliche Partikelgrößen enthalten sein.
In dieser Form besteht die Möglichkeit, eine Aus¬ gleichsschicht unmittelbar auf der Werkstückoberflä- che auszubilden, auf der dann wiederum die eigentliche Funktionsschicht ausgebildet ist. Dadurch kann beispielsweise die Haftung der Funktionsschicht ver¬ bessert werden, indem unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Werkzeug- und Funktions- schichtwerkstoff besser ausgeglichen werden können.
Eine Ausgleichsschicht kann aber auch Barrierewirkung haben, um chemische Reaktionen oder eine Diffusion zwischen Bestandteilen der eigentlichen Funktionsschicht und dem Werkstückwerkstoff zu vermeiden.
Bei als Folien ausgebildeten Vorprodukten kann auch deren Dicke variieren. Dies kann auch bei mehrschichtigen Vorprodukten oder mit mehreren stoffschlüssig verbundenen Vorprodukten, die als Lagen miteinander verbunden sind, der Fall sein.
Zum anderen besteht bei Einsatz mehrerer Vorprodukte auch die Möglichkeit der Strukturierung einer herzustellenden Funktionsschicht. In diesem Fall kann bei- spielsweise ein unmittelbar an der Werkstückoberflä¬ che angeordnetes Vorprodukt vorhanden sein, an dessen Oberfläche in mindestens einem weiteren Bereich ein weiteres Vorprodukt angeordnet ist. Die Fläche des weiteren Vorprodukts kann dabei kleiner als die Flä- che des unmittelbar an der Werkstückoberfläche ange¬ ordneten Vorproduktes sein, so dass keine vollständi¬ ge Überdeckung auftritt. So lassen sich beispielswei¬ se Streifen- oder andere Muster an einer Funktionsschicht ausbilden. Dies kann beispielsweise für wal- zenförmige Oberflächen von Werkzeugen vorteilhaft sein . In dieser Form können aber auch Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften an einer Funktionsschicht erhalten werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann auch eine trennende Formgebung der eingesetzten Vorprodukte vorgenommen werden. Dabei kann dies vorteilhaft auch mit demselben Energiestrahl erfolgen, der auch für die thermische Ausbildung der Funktionsschicht eingesetzt wird. Zum Schneiden einer Kontur kann dann die Bewegung des Brennflecks mit höherer Vorschubgeschwindig¬ keit durchgeführt und/oder der Brennfleck mit größe¬ rer Energiedichte entlang der zu schneidenden Kontur bewegt werden. Nach dem Schneiden können nicht für die Ausbildung der Funktionsschicht zu nutzenden Tei¬ le eines Vorproduktes entfernt werden. Diese können dann für die Herstellung einer anderen Funktionsschicht genutzt oder einem Recycling zugeführt wer- den, wodurch die Kosten reduziert werden können.
Die Bestrahlung des Vorproduktes kann zumindest für das thermische Zersetzen organischer Komponenten so erfolgen, dass der Brennfleck nicht in der Brenn- punktebene angeordnet ist, also der Energiestrahl de- fokussiert wird. Dabei können als Strahlungsquellen bevorzugt Nd:YAG-, Dioden- oder Faserlaser eingesetzt werden . Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unterschiedlichste Funktionsschichten an aus unterschied¬ lichen Werkstoffen hergestellten Werkstücken hergestellt werden. Dabei kann die Erfindung sowohl für die Herstellung neuer Werkstücke, wie auch für deren Reparatur eingesetzt werden. Die Funktionsschichten können mit erhöhter Reproduzierbarkeit hergestellt und dabei Verluste an eingesetzten kostenintensiven Rohstoffen, insbesondere an Hartstoffen, erheblich reduziert werden. Bei der thermischen Behandlung mit den einzusetzenden
Energiestrahlen erfolgt eine lokal begrenzte und äu¬ ßerst gezielte Erwärmung und Temperaturerhöhung. Insbesondere am Werkstückwerkstoff tritt, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehenswei- sen, eine so geringe Temperaturerhöhung auf, dass ei¬ ne unerwünschte thermische Beeinflussung dieses Werk¬ stoffes vermieden wird und insbesondere keine Gefüge¬ umwandlung oder keine Veränderung der Gitterstruktur auftritt .
Außerdem können die Anforderungen an die eingesetzten pulverförmigen Metalle oder Hartstoffe reduziert wer¬ den. Dies betrifft einmal deren Verträglichkeit (Kom¬ patibilität) zueinander, insbesondere die chemische Reaktivitität und zum anderen die ansonsten erforderliche Fließfähigkeit. Die Fließfähigkeit ist eine An¬ forderung, die erfüllt werden muss, wenn nur Pulver für einen thermischen Auftrag auf eine Werkstückoberfläche zugeführt und dann zumindest partiell aufge- schmolzen werden soll.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher er¬ läutert werden. Dabei zeigen:
Figuren 1 bis 3 Schliffbilder in verschiedener Vergrößerung einer nach Beispiel 1 hergestellten Funktionsschicht .
Beispiel 1 Mit einem herkömmlichen Foliengießverfahren wurde eine Folie, als Vorprodukt, mit einer konstanten Dicke von 1,5 mm hergestellt. In der Folie AI waren 2 Mas- se-% an organischen Komponenten, nämlich Polypropy- lencarbonat und als Plastifizierer Propylencarbonat enthalten. Außerdem waren als Hartstoffbestandteil 59 Masse-% Wolframschmelzcarbid, das unter der Handels¬ bezeichnung Macroline kommerziell erhältlich ist, in einem Partikelgrößenbereich von 63 ym bis 180 ym sowie als metallischer Binder 39 Masse-% einer Nickelbasislegierung (3 Masse-% Silicium, 3 Masse-% Bor und dem Rest Nickel) enthalten. Bei Macroline handelt es sich um ein Wolframschmelzcarbid, bei dem jedes
Hartsstoffpartikel aus WC mit einer dünnen Schicht aus mono-Wolframcarbid (mono-WC) umhüllt ist. Diese Schicht verhindert weitestgehend eine Auflösung der Hartstoffpartikel während des Wärmeeintrages. Aus der Folie AI wurden Streifen mit einer Breite von
22 mm und einer Länge von 65 mm herausgeschnitten. Die noch grünfeste aber flexibel verformbare Folie wurde auf eine Werkstückoberfläche aufgelegt und an¬ schließend mit einem von einer Nd-YAG- Laserlichtquelle, deren maximale Leistung 3 kW be¬ trägt, bestrahlt. Die Laserlichtquelle wurde dabei bei einer Leistung von 700 W kontinuierlich (cw-Mode) betrieben. Der Brennfleck wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 2000 mm/min über die Oberfläche der Folie AI bewegt. Dabei wurde die Nickelbasislegierung aufgeschmolzen, nachdem die organischen Komponenten thermisch zersetzt und so aus dem Vorprodukt entfernt worden sind. Als Schutzgas wurde Argon während der Bestrahlung zugeführt.
Die so ausgebildete Verschleißschutzschicht war aus- schließlich mit einer Matrix der Nickelbasislegierung in der die Hartstoffpartikel in homogener Verteilung eingebettet waren, gebildet. Die Masseanteile ent¬ sprechen in etwa den Ausgangsanteilen abzüglich der 2 Masse-% der organischen Bestandteile, die durch die thermische Zersetzung entfernt worden waren. Dabei wurde ein Werkstück aus einem niedrig legierten
Stahl, wie St 35 mit einer Funktionsschicht versehen. Die so hergestellte auf der Werkstückoberfläche her- gestellte Funktionsschicht ist in den Figuren 1 bis 3 als Schliffbild gezeigt.
Beispiel 2 Wie beim Beispiel 1 wurde mit einem herkömmlichen Fo¬ liengießverfahren eine Folie A2, als Vorprodukt hergestellt, die eine konstante Dicke von 2,0 mm auf¬ wies. In der Folie A2 waren 59 Masse-% HartstoffPartikel, 39 Masse-% metallischen Partikeln und 2 Masse- % organischen Komponenten enthalten.
Die Hartstoffpartikelmischung enthielt 80 Masse-% Wolframschmelzcarbid (Macroline) mit einem Partikel¬ durchmesser im Bereich 63 ym bis 180 ym. Außerdem wa- ren 20 Masse-% mono-WC (Typ DM 300, das von der H.C.
Starck GmbH mit einem FSSS-Wert von 3,1 ym (Fisher Sub-Sieve Sizer) kommerziell erhältlich ist) enthal¬ ten . Aus der Folie A2 wurde ein Streifen mit einer Breite von 100 mm und einer Länge von 346 mm herausgeschnit¬ ten. Die noch grünfeste aber dabei flexibel verform¬ bare Folie A2 wurde mit Hilfe eines wasserlöslichen Haftvermittlers (Acrysol ASE 60 der von der Firma Rohm-Haas kommerziell erhältlich ist, auf die äußere
Oberfläche eines niedriglegierten Stahlrohres (z.B. St 35) appliziert. Das vorab durch Sandstrahlen an der Oberfläche gereinigte Stahlrohr hatte einen Au¬ ßendurchmesser von 110 mm und eine Länge von 100 mm. Die Stirnseiten der um den Außendurchmesser gewickel- ten Folie A2 konnten so auf Stoß verklebt werden.
Der Außendurchmesser des Stahlrohres, das mit der grünfesten Folie A2 stoffschlüssig verbunden war, wurde in ein Werkstückfutter (Bohrfutter) gespannt und bei einer Drehzahl von 5 min-1 gedreht. Anschlie¬ ßend wurde die nach außen weisende Oberfläche der Fo¬ lie A2 mit einem von einem NdYAG-Laser emittierten Laserstrahl bestrahlt. Der NdYAG-Laser hatte eine maximale Leistung von 3 kW. Bei der Bestrahlung wurde er im cw-Mode mit einer Leistung von 700 W betrieben.
Der Brennfleck wurde mit einer Vorschubgeschwindig¬ keit von ca. 2000 mm/min über die Oberfläche des ro¬ tierenden Stahlrohres im mit der Folie A2 beschichte¬ ten Bereich bewegt. Dabei konnte eine gleichförmige Bewegung des Brennflecks über den Umfang (ringförmig) mit einem Versatz nach jeder Umdrehung oder eine spiralförmige Bewegung durchgeführt werden, so dass kreisringförmige oder spiralförmige Spuren an der Fo¬ lie A2 ausgebildet werden konnten. Mit der Bestrah- lung wurde die Nickelbasislegierung aufgeschmolzen, nach dem die organischen Komponenten thermisch zersetzt und aus der Folie A2 entfernt worden sind. Als Schutzgas wurde Argon eingesetzt. Die dadurch ausgebildete Verschleißschutzschicht war ausschließlich aus einer Matrix der Nickelbasislegierung, in der die Hartstoffpartikel in homogener Verteilung eingebettet waren, gebildet. Die in der Ver¬ schleißschutzschicht enthaltenen Masseanteile ent- sprachen denen der eingesetzten Ausgangsstoffe, abzüglich des Anteils an organischen Komponenten, die bei der thermischen Zersetzung entfernt worden waren.
Beispiel 3 Wie beim Beispiel 1 wurden mit einem herkömmlichen
Foliengießverfahren zwei Folien A3 und B3, als Vorprodukte hergestellt, die jeweils eine konstante Di¬ cke von 1,0 mm aufwiesen. Die erste Folie A3 enthielt 98 Masse-% Wolframschmelzcarbid (MTC Macroline) und 2 Masse-% organische Komponenten, wie dies beim Bei¬ spiel 1 der Fall war.
Die zweite Folie B3 enthielt 97 Masse-% einer Nickel¬ basislegierung in der 3 Masse-% Silicium, 3 Masse-% Bor als Legierungselemente und der Rest Nickel ent¬ halten waren sowie 3 Masse-% organische Komponenten, die denen des Beispiels 1 entsprechen.
Aus den Folien A3 und B3 wurden zwei gleich große Streifen mit einer Breite von 100 mm und einer Länge von 314 mm für A3 bzw. 308 mm für B3 herausgeschnit¬ ten .
Der grünfeste flexibel verformbare Streifen der Folie B3 wurde mit dem wasserlöslichen Haftvermittler Acry- sol ASE 60 auf der Oberfläche im Inneren eines nied¬ riglegierten Stahlrohres ringförmig an der Innenwand anliegend fixiert, so dass die Folie B3 vollflächig an der entsprechenden Oberfläche anlag. Das Stahlrohr war vorab wieder mittels Sandstrahlen behandelt worden .
Der grünfeste und flexibel verformbare Streifen der Folie B3 wurde entsprechend mit dem gleichen Haftver- mittler auf die Oberfläche des Streifens der Folie A3 vollflächig anliegend fixiert. Beide Streifen waren auf Stoß an den Stirnseiten verklebt.
Das so vorbereitete Stahlrohr wurde mittels eines Futters am Außendurchmesser gespannt, so dass es mit einer Drehzahl von 5 U/min gedreht werden konnte. Die nach innen weisende Oberfläche des aus den Streifen gebildeten Schichtaufbaus wurde wieder mit einem La¬ serstrahl, mit den gleichen Parametern, wie beim Beispiel 2 bestrahlt. Der Brennfleck des Laserstrahls wurde wieder, wie beim Beispiel 2 über die Oberfläche des Schichtaufbaus geführt. Die Nickelbasislegierung der Folie B3 wurde aufgeschmolzen und infiltrierte in die im Wesentlichen mit dem Wolframschmelzcarbid ge¬ bildete Matrix der Folie A3. Diese Prozesse erfolgten nach dem die organischen Komponenten thermisch zersetzt und entfernt worden waren. Als Schutzgas war wieder Argon eingesetzt.
Die dadurch hergestellte Verschleißschutzschicht war aus einer Matrix der Nickelbasislegierung, in der
Hartstoffpartikel in homogener Verteilung eingebettet waren, gebildet worden. Die resultierende Funktions¬ schicht wies 60 Masse-% Wolframcarbid und 40 Masse-% Nickelbasislegierung auf.
Beispiel 4
Wie beim Beispiel 1 wurden mit einem herkömmlichen Foliengießverfahren zwei Folien A4 und B4, als Vor- produkte hergestellt, die eine konstante Dicke von
1,0 mm aufwiesen. Zusätzlich wurde ein dritte Folie C4 mit einer konstanten Dicke von 0,5 mm hergestellt Die erste Folie A4 enthielt 98 Masse-% Wolfram- schmelzcarbid (MTC Macroline) und 2 Masse-% organi- sehe Komponenten, wie dies beim Beispiel 1 der Fall war. Die zweite Folie B4 enthielt 97 Masse "6 Θ1ΠΘΓ Nickelbasislegierung, in der 3 Masse-% Silicium, 3 Masse-% Bor als Legierungselemente und der Rest Ni¬ ckel enthalten waren sowie 3 Masse-% organische Kom¬ ponenten, die denen des Beispiels 1 entsprechen. Die dritte Folie C4 enthielt 97 Masse-% einer Nickelba¬ sislegierung, in der 0,2 Masse-% Kohlenstoff, 4,0 Masse-% Chrom, 0,5 Masse-% Bor, 2,5 Masse-% Silicium und der Rest Nickel enthalten waren sowie 3 Masse-% organische Komponenten, wie beim Beispiel 1.
Aus den drei Folien A4, B4 und C4 wurde Streifen mit einer Breite von 60 mm und einer Länge von 70 mm ge¬ schnitten. Die grünfeste flexibel verformbare Folie C4 wurde mit dem wasserlöslichen Haftvermittler Acry- sol ASE 60 auf der Oberfläche eines vorab durch Sand¬ strahlen gereinigten Werkstücks vollflächig appliziert. Bei dem Werkstück handelte es sich um ein durch Gießen hergestelltes Werkstück aus dem Werkstoff EN-GJN-HV600 (2,1 Masse-% Kohlenstoff, 23 Mas- se-% Chrom, 0,7 Masse-% Silicium und dem Rest Eisen) .
Auf die nach außen weisende Oberfläche des Streifens der Folie C4 wurde der grünfeste flexibel verformbare Streifen der Folie A4 und auf dessen nach außen weisende Oberfläche der Streifen der Folie B4 mit dem gleichen Haftvermittler aufgeklebt.
Anschließend wurde die nach außen weisende Oberfläche des mit den drei Streifen der Folien B4, A4 und C4 gebildeten Mehrschichtaufbaus , also die frei zugäng- liehe Oberfläche des Streifens der Folie B4, mit ei¬ nem Laserstrahl, wie bei den Beispielen 2 und 3, bestrahlt .
Der Brennfleck des Laserstrahls wurde dabei mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 2000 m/min über die be¬ strahlte Oberfläche bewegt. Dabei wurde die im Strei- fen der Folie B4 enthaltene Nickelbasislegierung im Nachgang zur thermischen Zersetzung der organischen Komponenten aufgeschmolzen. Diese Nickelbasislegierung infiltrierte dabei in die Hartstoffpartikel ent- haltende Schicht, die mit der Folie A4 gebildet war.
Da die Folie C4 eine gegenüber der Folie B4 höhere Schmelztemperatur aufweist, wurde die Nickelbasisle¬ gierung der Folie C4 lediglich angeschmolzen und kann daher eine Ausgleichsschicht zwischen dem Werkstück- werkstoff und der erfindungsgemäß hergestellten Ver¬ schleißschutzschicht bilden, deren wesentliche Funk¬ tion die Verhinderung einer Kohlenstoff-Diffusion ist .
Es wurde ebenfalls Argon als Schutzgas bei der ther¬ mischen Behandlung mit dem Laserstrahl eingesetzt.
Die so hergestellte Funktionsschicht war mit einer Ausgleichsschicht der Nickelbasislegierung unmittel- bar auf der Oberfläche des Werkstückwerkstoffs und darauf einer Matrix einer Nickelbasislegierung, in der WC-Hartstoffpartikel eingebettet waren, gebildet. Die Matrix war mit 60 Masse- Wolframschmelzcarbid und 40 Masse-% der Nickelbasislegierung gebildet.
Bei allen Beispielen konnten Funktionsschichten erhalten werden, deren Härte bei mindestens 55 HRC lag.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten auf der Oberfläche von Werkstücken, bei dem ein mit einem Polymer, in dem metallische Partikel eingebettet sind, gebildetes folienförmiges Vorprodukt zu einem mit einer Funktionsschicht zu versehenden Oberflächenbereich positioniert und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und anschließend die Oberfläche mit einem Laser¬ strahl oder Elektronenstrahl, bei gleichzeitiger Relativbewegung von Werkstück und Laser- oder Elektronenstrahl, bestrahlt wird, wobei
bei der Bestrahlung organische Bestandteile des Vorprodukts thermisch zersetzt und das Metall zumindest teilweise aufgeschmolzen und dabei die Funktionsschicht ausgebildet wird und dabei die thermische Zersetzung vor dem Aufschmelzen beginnt .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt in Form einer flexibel verformbaren Folie eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt, in eine der Oberflä¬ chenkontur des zu beschichtenden Werkstücks an- gepasste Form gebracht und dann durch Aushärtung oder Polymerisation das Vorprodukt in der der Oberflächenkontur des Werkstücks entsprechenden Form fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt in dem zusätzlich Partikel mindestens eines Hartstoffs, an Metallpartikel gebundene Hart¬ stoffpartikel und/oder mit einer metallischen Hülle versehene Hartstoffpartikel enthalten sind, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt mittels eines Haftvermittlers Stoffschlüssig vor der Bestrahlung mit Laser- oder Elektronenstrahl mit dem Werkstück fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Vorprodukte, die einen Mehrschichtaufbau bilden oder ein mehrschichtiges Vorprodukt, in Bezug zur Oberfläche positioniert und ein Vor¬ produkt mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird, bevor die nach außen weisende Oberfläche mit Laser- oder Elektronenstrahlung beaufschlagt wird .
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Vorprodukte eingesetzt werden, die ei¬ ne unterschiedliche Konsistenz, Dicke, Größe und/oder Form aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laser¬ oder Elektronenstrahl bei höherer Energiedichte im Brennfleck und/oder Vorschubgeschwindigkeit eine äußere Randkontur des/der Vorprodukte ( s ) ausgeschnitten wird, bevor das Zersetzen der organischen Bestandteile und das Aufschmelzen des Metalls zur Ausbildung der Funktionsschicht er¬ folgt .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich Tei¬ lbereiche der Oberfläche eines Vorprodukts mit Laser- oder Elektronenstrahlung bestrahlt wer- den, so dass eine vorgegebene Randkontur oder Funktionsschicht ausgebildet oder eine Formge¬ bung der Funktionsschicht durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei der thermischen Zersetzung der organischen Bestandteile der Laser- oder Elektronenstrahl so auf die Oberfläche eines Vorproduktes gerichtet wird, dass der Brennfleck außerhalb der Brenn- punktebene angeordnet ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens zwei Vorprodukten, die einen Mehrschichtaufbau bilden und dabei eine unterschiedliche Konsis- tenz/Beschaffenheit aufweisen, mit dem unmittel¬ bar auf der Werkstückoberfläche angeordneten Vorprodukt eine Ausgleichsschicht und mit min¬ destens einem darüber angeordneten Vorprodukt die Funktionsschicht gebildet wird. 12. Funktionsschicht hergestellt im einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Werkstück mit einer Funktionsschicht nach spruch 12.
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