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Title:
LIGHT METAL CYLINDER BLOCK, METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/060136
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a light metal cylinder block that comprises at least one wear resisting and tribologically optimized cylinder face and that consists of a light metal matrix alloy with a finely dispersed surface layer containing primary silicon deposits. Said surface layer consists of globular grains with grain diameters between 1 and 10 $g(m)m and contains 10 to 14 % AlSi eutectics, 5 to 20 % primary silicon, remainder pure Al phase. According to the inventive method for producing the light metal cylinder block, a laser beam is guided across the light metal matrix surface in a strip width vertically to the direction of feed of at least 2 mm. Hard material powder is heated up to a melting temperature at the point of incidence of the laser beam on the light metal matrix surface and is diffused. The inventive device for coating the face of hollow cylinders consists of a powder supply means, a laser beam device and a focussing system with a deviation mirror. The powder supply means and the laser beam device are guided in parallel to each other in the radial and in the axial direction of the hollow cylinder. The focussing system is provided with a linear beam gate. The powder supply means is provided with a dosing unit which is used to adjust the volume flow of the powder depending on advance speed of the laser beam.

Inventors:
Feikus, Franz Josef (Clara-Viebig-Strasse 17 Bonn, D-53123, DE)
Application Number:
PCT/EP2000/002125
Publication Date:
October 12, 2000
Filing Date:
March 10, 2000
Export Citation:
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Assignee:
VAW ALUMINIUM AG (Georg-von-Boeselager-Strasse 25 Bonn, D-53117, DE)
Feikus, Franz Josef (Clara-Viebig-Strasse 17 Bonn, D-53123, DE)
International Classes:
F02F1/00; B23K26/40; C23C4/04; C23C4/16; C23C12/00; C23C12/02; C23C24/10; C23C26/00; C23C26/02; F02F1/08; F02F1/20; F02F7/00; (IPC1-7): C23C26/02; C23C4/04; C23C4/06; C23C24/10; F02F3/00; F02F7/00
Foreign References:
EP0837152A11998-04-22
EP0367229A11990-05-09
DE4040436A11992-06-25
US4650644A1987-03-17
US5131356A1992-07-21
EP0411322A11991-02-06
EP0221276A11987-05-13
EP0837152A11998-04-22
EP0221276A11987-05-13
EP0411322A11991-02-06
EP0622476A11994-11-02
Attorney, Agent or Firm:
Müller-wolff, Thomas (Harwardt Neumann Brandstrasse 10 Siegburg, D-53721, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleiß festen und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, bestehend aus einer Leichtmetallmatrixlegierung mit einer feindispersen, PrimärSiliziumAusscheidungen enthaltenden Oberflächenschicht, wobei das Primärsilizium aus gleichmäßig verteilten, rund lich geformten Körnern mit einem mittleren Korndurchmesser zwischen 1 und 10 µm besteht und die Oberflächenschicht 10 bis 14 % AlSiEutektikum, 5 bis 20 % Primärsilizium, Rest reine AlPhase enthält, wobei die Mindesthärte der Ober fläche 160 HV beträgt.
2. Leichtmetallzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SiPrimärphasen in einem Abstand von l5 Primär phasendurchmesser in der Oberflächenschicht verteilt vor liegen.
3. Leichtmetallzylinderblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärsilizium in einer streifenförmigen Auflegie rungszone mit einer Streifenbreite von mindestens 2 mm und einer mittleren Schichtdicke von 150650 um in der Ma trixlegierung angeordnet ist, wobei die Streifen spiralför mig über die Zylinderlauffläche verlaufen.
4. Leichtmetallbauteil nach einem der vorhergehenden An pruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenbreite 2 bis 4 mm beträgt.
5. Leichtmetallbauteil nach einem der vorhergehenden An pruche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren nebeneinander angeordneten Auflegierungs zonen eine Überlappung der Streifen vorgesehen ist, wobei die Überlappungsbreite 5 bis 10 % beträgt.
6. Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleiß festen und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, bestehend aus einer Leichtmetallmatrixlegierung mit einer feindispersen, PrimärSiliziumAusscheidungen enthaltenden Oberflächenschicht, die als reine Diffusionsschicht aus einer ausscheidungsreichen Auflegierungszone (11) und aus scheidungsarmen Randzonen (12,13) besteht, wobei die Ausscheidungen aus gleichmäßig verteilten, rund lich geformten Körnern des Primärsiliziums mit einem mitt leren Korndurchmesser zwischen 1 und 10 um gebildet werden und die Auflegierungszone aus 10 bis 14 % AlSiEutektikum, 5 bis 20 % Primärsilizium, Rest reine Aluminiumphase be steht und eine Mindesthärte von 160 HV aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallzylinderblocks mit mindestens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, umfassend eine Leichtme tallmatrixlegierung und ein hartstoffhaltiges Pulvermateri al, das als feindisperse, PrimärSiliziumAusscheidungen enthaltene Oberflächenschicht in der Leichtmetallmatrix vorliegt, durch Schwerkraft, Niederdruckoder Druckguß verfahren mit anschließender Oberflächenbearbeitung durch parallel zueinandergerichtete Laserund Pulverstrahlen, wobei der Laserstrahl in einer Streifenbreite quer zur Vorschubrichtung von mindestens 2 mm über die Leichtmetall matrixoberfläche geführt wird und bei dem das Pulver erst im Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Leichtmetall matrixoberfläche in einer Kontaktzeit von 0,1 bis 0,5 Se kunden auf Schmelztemperatur aufgeheizt und eindiffundiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetallmatrixlegierung im Auftreffpunkt in einer Tiefe von mindestens 350 um vollständig aufgeschmol zen und an der Leichtmetallmatrixoberfläche in den Plasma zustand überführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Pulver bei der Diffusion eine Aufle gierungszone bildet, die eine Schichtdicke von 5001000 gm aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver im Zeitpunkt kurz vor dem Auftreffen auf die Metallmatrixlegierung eine Kornstruktur besitzt und erst im Kontakt mit der Metallmatrixlegierung im Bereich des Laser strahls innerhalb einer Kontaktzeit von 0,1 bis 0,5 sec aufgeschmolzen und einlegiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeiten von Laserstrahl und Pul verstrahl derart gesteuert werden, daß a) eine Diffusion in die Metallmatrixlegierung mit Ein dringtiefen von 350 bis 850 um erfolgt, b) durch langsame gesteuerte Abkühlung der Auflegierungs zone rundlich geformte Primärphasen kleiner 10 um gebildet werden, deren Abstände 1 bis 5mal Primär phasendurchmesser betragen, c) eine Ausscheidung von Hartphasen erhalten wird, mit einer Schichthärte von HV 110 bis 160.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit 0,8 bis 4,0 m pro Minute bei einer focussierten Auftrefflache des Laserstrahls von 1 bis 10 mm2 und einer Laserlichtleistung von 3 bis 4 kW beträgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl mit einem linienförmigen Fokus auf der Innenlauffläche eines Hohlzylinders spiralig rotiert und dabei durch Zugabe eines SiPulvers eine streifenförmige, Primärsilizium enthaltende Auflegierungszone gebildet wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Bearbeitungstiefe in der Auflegierungszone 750 Am beträgt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartphasen der Auflegierungszone durch eine mecha nische Bearbeitung freigelegt werden, wobei der Abtrag der obersten Schicht kleiner 30 % der Gesamtschichtdicke be trägt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflegierungszone ohne Zwischenbearbeitung direkt gehont wird.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer Lauf flächenbeschichtung von Hohlzylindern, bestehend aus einer Pulverzuführung (1), einer Laserstrahleinrichtung (2) und einem Fokussiersystem (3) mit einem Umlenkspiegel (4), dadurch gekennzeichnet, daß Pulverzuführung (1) und Laserstrahleinrichtung (2) parallel zueinander in radialer und axialer Richtung des Hohlzylinders geführt sind, daß das Fokussiersystem (3) einen linienförmigen Strahlaus tritt mit einer Strahlenbreite von 2,0 bis 2,5 mm aufweist und daß die Pulverzuführung mit einer Dosiereinrichtung versehen ist, über die der Volumenstrom des Pulvers in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Laser strahls einstellbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussiersystem (3) eine X, Ioder 8förmige Fokusform aufweist, die an den oberen und unteren Randzonen im Vergleich zum mittleren Fokusbereich einen erhöhten Energieaustritt ermöglicht. Bezugszeichenliste 1 Pulverzuführung la Ende der Pulverzuführung lb Düse 2 Laserstrahleinrichtung 3 Fokussiersystem 4 Umlenkspiegel 5 Lauffläche 6 Laserstrahl 7 Laufflächenoberfläche 8 Zylinderachse 9 _ 10 Auflegierungszone 11 Ausscheidungsreiche Zone 12,13 Ausscheidungsarme Zone 14 15,16,17 Randzonen MKMaterialanteil Ln Nutzbare Lange des ausscheidungsreichen Gefüges LNL Nutzbare Lange der ausscheidungsreichen Zone LE Anteil der ausscheidungsarmen Zone Las die zu den Randzonen gehören <BR> <BR> <BR> <BR> Vergleichsbeispiel#HWKAbtrag <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Erfindungsbeispiel#HWLAbtrag A Matrixgefüge B Auflegierungszone CÜbergangszone.
Description:
Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallzylinderblock mit min- destens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, umfassend eine Leichtmetallmatrixlegierung und ein hartmetallhaltiges Pulvermaterial, das als feindisper- ser, Primär-Silizium-Ausscheidungen enthaltene Oberflächen- schicht auf der Leichtmetallmatrix vorliegt.

Nach EP 0 837 152 A1 (Bayerische Motoren Werke AG) ist ein Ver- fahren zum Beschichten eines aus einer Aluminiumlegierung beste- henden Bauteils einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird ein Laserstrahl so gelenkt, daß er nicht direkt auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils gelangt, sondern zuvor auf einen Pulverstrahl trifft. Durch die Energie des Laserstrahls wird das Pulver vollständig vom festen in die flüssige Phase überführt, so daß es beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche in Form feiner Tröpfchen als Schichtmaterial darauf abgeschieden wird, die aufgrund der Erstarrungsbedingungen teilweise amorph er- starren.

Bei dem bekannten Verfahren erfolgt daher kein Einlegieren des Pulvers in die Oberflächenschicht des Bauteils, sondern es wird eine Phasenumwandlung des Beschichtungsmaterials auf dem Weg zur Oberfläche durchgeführt, wobei das Aluminium-Siliziumpulver im Laserstrahl verflüssigt wird. Beim Erstarren auf der Oberfläche soll fein disperses Silizium, sogenanntes Primärsilizium, frei- gesetzt werden.

Je nach Abkühlgeschwindigkeit sollen hierbei Siliziumkristalle in der Größenordnung von 1 bis 5 Sm erzeugt werden. Die dazu erforderliche schnelle Abkühlung kann aber in der Praxis nicht erreicht werden, da die Energie des Laserstrahls auf das zu beschichtende Bauteil einwirkt. Die Substratoberfläche wird somit sehr heiß und kann daher die Wärme der auftreffenden Si- Schmelze nicht schnell genug abführen, so daß keine kristalline Phase und keine Primärkristalle sondern amorphe Phasen entste- hen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel des BMW-Patents werden bei einer aufgetragenen Schichtdicke von 3 mm zur Erzielung einer glatten, ebenen Oberfläche des Schichtmaterials etwa 50 % abgetragen (Spalte 6, Zeilen 10 bis 15). Dies bedeutet einen hohen Abtrags- verlust, zu dem noch eine ungenutzte Randzone durch eine hohe Welligkeit des tröpfchenförmig aufgetragenen Materials als nach- teilig hinzugerechnet werden muß.

Aus der EP-A-0 221 276 ist es ferner bekannt, eine Aluminiumle- gierung durch Umschmelzen ihrer Randschichten mit Laserenergie verschleißbeständiger auszubilden. Dabei wird auf die Oberfläche eine Schicht aus einem Binder, pulverförmigen Silizium, Kupfer und Titancarbid aufgebracht und anschließend mit dem Laser in die Oberfläche eingeschmolzen. Die Zugaben an TIC betragen in den Ausführungsbeispielen zwischen 5 bis 30 % und bewirken eine beträchtliche Zunahme in der Oberflächenhärte.

Unter tribologischen Aspekten ist jedoch durch die extrem hohe Abkühlgeschwindigkeit beim Laserumschmelzen zwar eine hohe Korn- feinheit, jedoch keine ausreichende Ausbildung des Primärsilizi- ums bei diesem Verfahren erreichbar. Daher ist das Laser- umschmelzen für die Herstellung von Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen aus AlSi-Legierungen mit tragenden Plateaus aus Primärsilizium und zurückgesetzten, Schmierstoffen enthal- tenden Bereichen ungeeignet.

In der EP 0 411 322 A1 wird ein Verfahren zum Herstellung ver- schleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer AlSi-Legierung beschrieben, das von der zuvor erwähnten EP 0 221 276 ausgeht, wobei jedoch der Schicht vor dem Lasereinschmelzen ein Impf- mittel (Keimbildner) für primäre Siliziumkristalle zugegeben wird. Als Impfmittel bzw. Keimbildner werden folgende Substanzen genannt : Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Titancarbid, Titanni- trid, Borcarbid und Titanborid.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Beschichtung in Form der Siebdrucktechnik als Abziehfolie hergestellt und auf die Oberfläche des betreffenden Bauteiles aufgebracht. Die Dicke der Schicht kann vorzugsweise 200 um und die Einschmelztiefe 400 bis 600 pm betragen. Es wird ein linienförmig fokussierter La- serstrahl in inerter Atmosphäre verwendet, um das Einschmelzen mit einer Einschmelztiefe von 400 4m zu verwirklichen. Der Sili- ziumanteil in der legierten Zone betrug im Beispiel 25 % bei einem Nickelanteil von 8 % (Härte über 250 HV).

Wie schon zuvor beschrieben ist es bei den letztgenannten Ver- fahren des Umschmelzens bzw. Einschmelzens erforderlich, eine Kühlung während des Auftragens einer Schicht auf die Matrixle- gierung durchzuführen, um die gewünschten feindispersen Aus- scheidungen des Primärsiliziums zu erreichen. Wegen der zuge- setzten Impfmittel können Reaktionen mit der Aluminiumoberfläche erfolgen. Außerdem sind die Beschichtungsmaßnahmen bei gekrümm- ten Oberflächen nicht immer anwendbar.

Aus der EP 0 622 476 A1 ist ein Metallsubstrat mit laserindu- zierter MMC-Beschichtung bekannt. Die MMC-Schicht weist eine Schichtdicke zwischen 200 um und 3 mm auf und enthält homogen verteilte SIC-Partikel, wobei bevorzugt bis zu 40 Gewichtspro- zent SiC als homogen verteilte SIC-Partikel in der MMC-Schicht enthalten sind. Zur Herstellung wird das Pulvergemisch, enthal- ten. SiC-Pulver und vorlegiertes AlSi-Pulver in einem Laser- strahl erhitzt, wobei der für die Herstellung einer homogenen Legierung aus dem Pulvergemisch erforderliche Wärmegehalt durch das auf die Substrat auftreffende Pulver herbeigeführt wird.

Produkte mit Hartmetallstoffen wie SiC weisen eine sehr hohe Härte auf, die für das Verschleißverhalten der Kolbenringe un- günstig sind. Außerdem ist die Bearbeitung sehr aufwendig, da die oberste Schicht der Keramikpartikel abgetragen werden muß, um eine funktionsfähige, splitterfreie Lauffläche zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leicht- metallzylinderblock mit mindestens einer verschleißfesten tribo- logisch beanspruchbaren Lauffläche zu entwickeln, bei der die Oberflächenschicht aus 5 bis 20 % feindispersem Primärsilizium besteht, das im Übergang zur Matrixlegierung eine geringe Rand- zonenbreite aufweist und das in der Übergangszone frei von Fehl- stellen und Oxideinschlüssen ist.

Das zur Herstellung des Leichtmetallzylinderblocks eingesetzte Verfahren soll mit weniger Verfahrensschritten auskommen, wobei auf eine chemische Nachbearbeitung vollständig verzichtet werden soll.

Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Im folgenden werden mehrere Ausführungsbei- spiele angegeben, wobei es sich um bevorzugte Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Laserlegierens handelt.

Zunächst wird eine Vorrichtung zur Innenraumbeschichtung eines Leichtmetallmotorblockes aus Aluminium oder einer Magnesiumle- gierung beschrieben, wobei eine Sonde in den Zylinder eines Motorblocks eingesenkt wird und gleichzeitig reines Silizium- pulver zugeführt werden kann. Die Sonde weist eine Pulverzufüh- rung und eine Laserstrahleinrichtung auf.

Durch einen an der Sonde angeordneten Drehantrieb werden eine Pulverausbringungsdüse und ein Energiestrahl auf den Innenraum bzw. die Lauffläche des Leichtmetallmotorblockes gelenkt.

Mit dieser Vorrichtung soll das Einlegieren von Hartstoffteil- chen in Form von Silizium über einen über die Lauffläche spira- lig rotierenden Laserstrahl mit parallel zugeführten Silizium- teilchen erfolgen. Damit die Laserenergie sich über eine breite Spur auf die Matrixoberfläche verteilt, hat der Laserstrahl einen linienförmigen Fokus mit einer Spurbreite von vorzugsweise 2 bis 4 mm. Im Vergleich zu einer durch punktförmigen Laser erzeugten Oberfläche bildet sich beim Fokus kein wellenförmiges Profil, sondern ein flaches Band mit feindispersen Primärsilizi- umteilchen aus. Das Band wird als Auflegierungszone bezeichnet, wobei es nur eine schmale Übergangszone (der Randzone) zwischen auflegierter Zone und dem Matrixmetall aufweist (siehe Figur 1).

Da das Pulver im Zeitpunkt kurz vor dem Auftreffen auf die Me- tallmatrixlegierung eine Kornstruktur besitzt und erst im Kon- takt mit der Metallmatrixlegierung im Bereich des Laserstrahls innerhalb einer Kontaktzeit von 0,1 bis 0,5 sec aufgeschmolzen und einlegiert wird, läßt sich bei dem linienförmigen Fokus ein geringer Randzonenanteil von ca. 10 % erreichen. Die Laserspur wird in der Zylinderbohrung spiralisch abgesenkt, wobei im Be- darfsfalle auf eine Überlappung verzichtet werden kann, so daß die Nutzanteile praktisch gegeneinanderstoßen. Somit entsteht eine glatte, vollständig homogene Oberflächenschicht, die nur noch durch eine Feinbearbeitung zur Beseitigung einer leichten Welligkeit fertig bearbeitet werden muß.

Als Beispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitung bei der Her- stellung eines Leichtmetallzylinderblocks mit mindestens einer verschleißfesten, tribologisch optimierten Zylinderlauffläche wird von folgenden Bearbeitungsschritten ausgegangen : Zunächst wird eine Auflegierungszone enthaltend Primärsilizium mit einer mittleren Schichtdicke von 300 bis 750 um in der Ma- trixlegierung erzeugt. Die exakten Werte der Schichtdicke hängen von verschiedenen Einflußgrößen, wie Verfahrensparameter, Genau- igkeit der Vorrichtungspositionierung und Maßtoleranz des Guß- teils ab. Es wird daher im folgenden bei allen Dickenangaben von einer"mittleren"Schichtdicke gesprochen, wobei der Toleranz- bereich sehr eng gehalten werden kann, da die Vorrichtung am Bauteil zentriert werden kann.

Die Ausgangsschichtdicke von 300 bis 750 um wird dann in einem weiteren Bearbeitungsschritt auf die gewünschte Endschichtdicke durch eine Feinbearbeitung mit einem Abtrag bis zu 150 um, wie z. B. durch Honen etc., gebracht. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte Endschichtdicke liegt im Bereich von 150 bis 650 um. Dabei handelt es sich um eine reine Diffusionsschicht, die durch eine besondere in den Ansprüchen 1 und 2 definierte Gefügestruktur gekennzeichnet ist.

Mit der Steuerung der Pulverzufuhr, dem Vorschub des Laser- strahls und der zugeführten Laserenergie lassen sich die Aus- scheidungsgrößen der Hartphasen einstellen. Bei Ausscheidungs- größen kleiner 10 um verringert sich die Zerstörungstiefe in der mechanischen Endbearbeitung der Hartphasen, so daß die bisher erforderlichen Bearbeitungszugaben für die Entfernung der zer- störten Hartphasen sich deutlich reduzieren lassen. (Die Zer- störungstiefe wird durch die in der obersten Schicht enthalten- den, nicht fest eingebundenen Hartphasen bestimmt.) Durch das Einlegieren mit dem Laserstrahl wird die Oberfläche gehärtet, wobei Härtewerte der Oberflächenschicht von mindestens 160 HV erreicht werden. Infolge der guten Härtung lassen sich die Laseroberflächen direkt honen. Bisher erforderliche zusätz- liche mechanische oder chemische Bearbeitungsschritte zur Frei- stellung der Hartphasen sind ebenfalls nicht mehr erforderlich.

Damit ist das bisher erforderliche Ausbohren der Zylinderbe- schichtungen nicht mehr erforderlich, da die Oberflächenwellig- keit je nach Überlappung der streifenförmigen Auflegierungszone vernachlässigbar da sehr gering ist.

Im folgenden wird die erfindungsgemäß erzielbare Oberflächen- struktur auf einer Motorblock-Lauffläche anhand eines Ver- gleichsbeispieles näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 Prinzipbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Be- schichtungseinrichtung im Teilquerschnitt ; Fig. 2 Prinzipbild einer erfindungsgemäß erzeugten Ober- flächenschicht ; Fig. 3 Vergleichsbeispiel mit einer anderen Oberflächenstruk- tur ; Fig. 4 Querschnitt an einem Gußteil im Bereich der laserle- gierten Zone.

Nach Figur 1 besteht die erfindungsgemäß ausgebildete Beschich- tungseinrichtung aus einer Pulverzuführung 1, die an ihrem Ende la eine auf die Lauffläche 5 gerichtete Düse lb aufweist.

Die Energiezufuhr erfolgt über eine Laserstrahleinrichtung 2, einem Fokussiersystem 3 und einem Umlenkspiegel 4, die dafür sorgt, daß der Laserstrahl 6 erst auf der Laufflächenoberfläche 7 zusammen mit dem Pulver auftrifft.

Nach den bekannten optischen Gesetzen wird der Laserstrahl 6 linienförmig, vorzugsweise als X, I oder 8 fokussiert und dann beispielsweise durch Kippen des Spiegels auf der Laufflächen- oberfläche 7 abgebildet. Durch die Form der Abbildung kann der Energieeintrag gesteuert werden, so daß das Ausscheidungsgefüge in seiner Ausprägung an den Rändern beeinflußbar ist.

Durch Drehung des Spiegels 4 wandert der Laserstrahl 6 über die Laufflächenoberfläche 7, so daß sich ein streifenförmiges Band ergibt. Wenn dabei gleichzeitig eine Vorschubbewegung in Rich- tung der Zylinderachse 8 erfolgt, ergibt sich durch Überlagerung der beiden Bewegungen eine spiralförmige Beschichtung der Lauf- flächenoberfläche 7. Die rotierende und die translatorische Bewegung in Richtung der Zylinderachse 8 sollten dabei so auf- einander abgestimmt werden, daß die Windungen der Spirale dicht aneinanderliegen, so daß sich eine geschlossene Auflegierungs- zone ergibt.

In Figur 2 ist die erfindungsgemäß mit einem Linienfokus er- zeugte Auflegierungszone 10, bestehend aus einer ausscheidungs- reichen Zone 11 und zwei seitlich angeordneten ausscheidungs- armen Zonen 12,13, dargestellt. Figur 2 zeigt den Zustand der Auflegierungszone unmittelbar nach der Laserbeschichtung, wobei zu erkennen ist, daß der Anteil der ausscheidungsarmen Zone LAL, bezogen auf die nutzbare Lange LNL der ausscheidungsreichen Zone, relativ gering ist. Die entsprechenden Bereiche in Figur 3 sind mit LAR bezeichnet, die zu den Randzonen 15,16,17 gehören.

In Figur 3 sind als Vergleichsbeispiel drei mit herkömmlichem Kreisfokus hergestellte Auflegierungszonen dargestellt, wobei die Beschichtungsbreite bei dem Verfahren mit Linienfokus und bei dem Verfahren mit Kreisfokus annähernd übereinstimmen. Man erkennt, daß die nutzbare Lange L des ausscheidungsreichen Gefüges bei dem Verfahren mit Kreisfokus wesentlich geringer ist als die nutzbare Lange beim Linienfokus LNL. Ferner ist die nutz- bare Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht beim Kreisfokus wesentlich geringer als beim Linienfokus, da beim Kreisfokus ein ausscheidungsarmes Gefüge bis in tiefere Zonen des Zylinder- blockgefüges reicht. Dies ist im Querschnitt nach Figur 3 durch die breiten Randzonen 15,16,17 veranschaulicht.

Da bei gleicher Eindringtiefe die nutzbare Tiefe im Vergleichs- beispiel nach Figur 3 geringer ist als im erfindungsgemäßen Beispiel nach Figur 2 ist die Qualität der Beschichtung nach dem Vergleichsbeispiel ungünstiger. Ferner ist der erforderliche Abtrag AHz im Vergleichsbeispiel bei gleicher Bearbeitungstiefe wie im Erfindungsbeispiel wesentlich höher (SH), da der Kreis- fokus eine wellige Oberflächenschicht erzeugt, die im Bereich der Lauffläche einen geringeren nutzbaren Materialanteil MR aufweist als ein entsprechender Laufflächenabschnitt gemäß Figur 2 (LNL)- <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Der nutzbare Materialanteil ist im Erfindungsbeispiel LNL, wäh- rend MR als Summe der Einzelwerte LRl, LE2, LR3 gebildet wird.

Der erfindungsgemäße Leichtmetallzylinderblock hat daher eine verschleißfestere Zylinderlauffläche, die durch gleichmäßige Verteilung der feinen Si-Primärausscheidungen tribologisch opti- miert ist und durch linienförmige Fokussierung und überlappende Beschichtung mit deutlich reduziertem Fertigungsaufwand her- stellbar ist.

Es wird anhand des Gefügebildes in Figur 4 verdeutlicht. Es handelt sich um ein Schliffbild mit der Vergrößerung 200 : 1, wobei im rechten Bildteil A eine Gußlegierung vom Typ AlSi9Cu3 und im linken Bildteil B eine tribologisch optimierte Oberflä- chenschicht mit feindispersen Primär-Silizium-Ausscheidungen zu erkennen ist. Der Primärsiliziumanteil beträgt im vorliegenden Beispiel 10 %, der Primärphasendurchmesser 4,4 Wm und der Ab- stand der µm.13 Für die Belastungsfähigkeit des neuen Werkstoffs ist besonders von Bedeutung die Anbindung der Auflegierungszone B an das Ma- trixgefüge A. Am Schliffbild 4 ist erkennbar, daß in der Über- gangszone C keine Oxide oder andere Fehlstellen vorliegen. Die- ses beruht darauf, daß die Auflegierungszone quasi"insitu"aus dem Matrixgefüge gebildet wurde und somit ein einheitlicher Werkstoff mit unterschiedlichen Zusammensetzungen im Bereich A, B entstanden ist.