Heigl, Reiner (Hohenstaufenstr. 51, Remseck, 71686, DE)
Kern, Markus (Schwalbenstr. 17, Filderstadt, 70794, DE)
Claus, Jürgen (Pécser Str. 23, Fellbach, 70736, DE)
Heigl, Reiner (Hohenstaufenstr. 51, Remseck, 71686, DE)
Kern, Markus (Schwalbenstr. 17, Filderstadt, 70794, DE)
| 1. | Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleiß beständigen Verbundschicht (2) auf der Oberfläche eines AluminiumlegierungSubstrates (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 AluminiumlegierungSubstrates, b) Bestrahlen des auf der Oberfläche des Aluminium legierungSubstrates (1) angeordneten bzw. zugeführten Zusatzwerkstoffes (5,6) mit einem Laser (4), um die Legierung oder Pulvermischung und einen Oberflächenanteil des AluminiumlegierungSubstrates zu verschmelzen. c) Erstarrung der Schmelze (3) mit hohen Abkühlraten zur Ausbildung eines feinen, homogenen Gefüges. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen aus der Legierung oder Pulvermischung inter metallische 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 gekenn zeichnet, dass Silizium durch eine übereutektische AlSi Legierung aus der Schmelze ausgeschieden wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, 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 gekenn zeichnet, dass der Vanadiumgehalt zwischen 0 und etwa 7 Gew. % liegt. |
| 9. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Legierung oder Pulvermischung keramische Hartstoffe als Pulverenthält. |
| 10. | Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Hartstoffe aus Metallkarbiden oderNitriden 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 AluminiumlegierungSubstrates, hergestellt nach dem Verfah ren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Eisengehalt von zumindest 15 Gew. %, bevorzugt bestehend aus binären AluminiumEisenPhasen oder ternären AluminiumSiliziumEisenPhasen. |
Bei Bauteilen aus Al-Si-Legierungen werden bevorzugt über- eutektische Legierungen eingesetzt, da sich diese im Hinblick auf Verschleiß und Reibungsminimierung als besonders vorteil- haft erwiesen haben. Um eine ausreichende Zahl und Größe der primären Siliziumkristalle zu erhalten, enthalten die Alu- miniumlegierungen 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 Legierungs- elemente wird durch Siebdrucktechnik erzielt.
Aus der Schrift DE 40 40 436 ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Zylinder- laufflächen aus Leichtmetallegierungen bekannt, bei dem mittels Hochenergiestrahlen-Laser-oder Elektronenstrahlen-die gesamte Zylinderlauffläche einer Phasenumwandlung fest-flüssig- fest 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 anzu- geben, 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 verschleißbeständigen Verbundschicht auf der Oberfläche eines Aluminiumlegierung-Substrates umfaßt das Anordnen eines Zusatzwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrates. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Legierung oder Pulvermischung, die Aluminium, Silizium und zumindest 15 Gew. % Eisen enthält. Ein Bestrahlen der auf der Oberfläche des Aluminiumlegierung-Substrates angeordneten oder zugeführten 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 Oberfläche während des Aufschmelzens bis zum Erkalten zu verhindern, wird das Verfahren bevorzugt unter inerter Atmosphäre ausgeführt. Das Erstarren der Schmelze erfolgt mit hohen Abkühlraten zur Ausbildung eines feinen, homogenen Gefüges.
Überraschenderweise werden durch das Verfahren mit schneller Abkühlung aus der Schmelzphase weit höhere Eisengehalte als bisher bekannt in warmfeste und verschleißbeständige inter- metallische Verbindungen eingebaut.
Der im Stand der Technik beschriebene Nachteil hoher Abkühlraten, durch die beim Laserschmelzen zwar eine hohe Kornfeinheit erzielt wird, aber keine ausreichende Ausbildung des Primärsiliziums stattfindet, wird hierdurch überwunden.
Vorteilhafterweise werden so beträchtlich längere Standzeiten bei Verschleißbeanspruchung und auch bei thermo-mechanischer Beanspruchung erzielt.
Durch gezielte Führung des Laserstrahls über die Oberfläche werden vorteilhafterweise an lokal begrenzten Bauteilpartien harte Verbundschichten mit Gefügefeinung gebildet, beispiels- weise 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 liegt--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 unter- stützt 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. k, der Zinkgehalt bevorzugt zwischen 0 und etwa 5 Gew. k und der Vanadiumgehalt bevorzugt zwischen 0 und etwa 7 Gew. %. Derartige Zusätze wirken sich hinsichtlich der Festigkeit, Zähigkeit und der Korrosions- beständigkeit qualitätsverbessernd auf die gesamte Verbund- schicht 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 Hart- stoffoberfläche 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 Laserstrahls 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 Abkühlraten zur Aus- bildung eines feinen, homogenen Gefüges kann auch über eine zusätzliche Kühlung der Substratoberfläche oder des gesamten Substratmaterials erfolgen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist der Zusatzwerkstoff bereits vor dem Aufschmelzen auf die Oberfläche 6 aufgebracht. Bevorzugt erfolgt bei flächenhaften Verbund- schichten das Aufbringen des Werkstoffes durch Belegung der Substratoberfläche in Form von Bändern und Tafeln. Lokal aufgebrachte Verbundschichten werden durch vorherige Struktu- rierung der Oberfläche, beispielsweise durch Siebdruck, unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen in Pulverform gebildet.
Next Patent: APPARATUS FOR GENERATING MIXED GAS AND BOILER SYSTEM USING THE MIXED GAS