DE10059802B4

DE10059802B4 - Verfahren zur Oberflächenvergütung

Info

Publication number: DE10059802B4
Application number: DE2000159802
Authority: DE
Inventors: Dieter Heinzmann; Johannes Dr. Kopietz; Josef Dr. Meinhardt; Boris Bevc; Hans Schwimmbeck; Alfons Ederer; Roland Dr.-Ing. Golle; Hartmut Prof. Dr. Hoffmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: DE10059802A1

Abstract

Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, bei dem das Bauteil in dem zu vergütenden Oberflächenbereich mittels eines energiereichen Laserstrahls aufgeschmolzen und die Metallschmelze in eine mit dieser zu einer keramischen Verbindung reagierende Gasatmosphäre eingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in dem zu vergütenden Oberflächenbereich an linien- oder punktförmigen, jeweils durch eine unbehandelte Oberflächenstruktur voneinander beabstandeten Laserspuren aufgeschmolzen und an diesen zu einer mikrofeinen Oberflächenstruktur keramisiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Wärmebehandlungsverfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen bekannt. So werden nach dem in der DD 289 293 A5 vorbeschriebenen Verfahren der eingangs genannten Art die Endstufenschaufeln von Sattdampfturbinen in den stärker beanspruchten Oberflächenbereichen mittels eines Laserstrahls vollflächig aufgeschmolzen und durch Einleitung von gasförmigem Stickstoff keramisiert, um so diese Schaufelbereiche erosionsbeständig zu machen. Ferner ist es bekannt, die Oberfläche von metallischen Bauteilen durch örtliches Aufbringen und anschließendes Erhitzen von zumeist stab-, ring- oder auch pulverförmigen Legierungselementen mit einem Muster aus gehärteten und ungehärteten Oberflächenbereichen zu versehen. Mit den bekannten Verfahren lässt sich jedoch nur eine allenfalls grobe Oberflächenkeramisierung erzielen, während vor allem für tribolisch wirksame Werkzeugoberflächen, etwa in der Stanz- oder Tiefziehtechnik im Zusammenwirken von Werkzeug, Werkstück und Schmiermittel, eine mikrofeine Oberflächenstrukturierung benötigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das sich auf fertigungstechnisch einfache Weise gehärtete Mikrostrukturen auf metallischen Oberflächen erzeugen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Bauteiloberfläche mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls hoher Intensität längs isolierter, linien- oder punktförmiger Laserspuren aufgeschmolzen und im Bereich der Schmelzekrater in Folge der gleichzeitigen Anwesenheit einer auf die Metallschmelze abgestimmten Gasatmosphäre zu einer mikrofeinen Keramikstruktur umgewandelt. Auf diese Weise lassen sich auf der Bauteiloberfläche mit geringem Fertigungsaufwand durch entsprechende Intensitäts- und Bewegungssteuerung des Lasers praktisch beliebige Härtungsmuster im Mikrometerbereich erzeugen und dabei das Verhältnis von gehärteten Mikrostrukturen zu ungehärteten Oberflächenzonen in weiten Grenzen variieren, wobei gezielt nur die höher beanspruchten Bereiche vom Mikro- bis zum Makrobereich feinstrukturiert werden können. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 000 Krater/min ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für größere Flächen geeignet und ergibt vor allem in Verbindung mit Formwerkzeugen eine wesentlliche Verbesserung der tribolischen Eigenschaften.
Als Reaktionsprodukte entstehen bei dem erfindungsgemäßen Strukturierungsverfahren – je nach Metall- und zugehöriger Gasbeschaffenheit-Metallnitride, -oxide oder -carbonitride. Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall der Erfindung ist nach Anspruch 2 die Oberflächenvergütung von Aluminium-, Titan- oder eisenhaltigen Bauteilen in Verbindung mit einer Stickstoffatmosphäre.
Die hohe Vergütungsqualität des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt sich am deutlichsten in den signifikant erhöhten Standzeiten von abrieb- und verschleißanfälligen Werkzeugflächen. So ergab sich bei einem Stanzwerkzeug eine gegenüber einer konventionellen Härtung um das Fünffache erhöhte Standzeit. Um bei derartigen Formwerkzeugen gleichzeitig die Fertigungskosten zu senken, wird nach Anspruch 3 zweckmäßigerweise nur eine Werkzeug- Teilfläche im Bereich eines auswechselbaren Werkzeugeinsatzes im Wege des erfindungsgemäßen Verfahrens mikrotexturiert und -keramisiert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2a, b eine stark vergrößerte Teildarstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Oberflächenstruktur in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen; und
3 einen Schnitt längs der Linie II-II der 2 in nochmals vergrößerter Darstellung.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen Werkstücktisch 2 zur Positionierung des zu vergütenden Werkstücks, etwa des Schneideinsatzes 4 eines Stanzwerkzeugs, sowie einen Gaslaser 6 in Form eines Nd:YAK-Lasers zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, dessen Pulszeit, Fokuslage und Strahlleistung veränderlich einstellbar sind. Mit Hilfe eines dem Laser 6 zugeordneten, programmgesteuerten Mehrachs-Roboters oder -Spiegelsystems (nicht gezeigt) wird der Laserstrahl mit hoher Genauigkeit nach einem vorgegebenen Muster und unter Beibehalt einer senkrechten Strahleinfallrichtung über die zu vergütende, in 1 schraffiert dargestellte Werkstück-Teilfläche 8 geführt.
Ferner enthält die Vorrichtung eine auf das zu vergütende Werkstück 4 aufsetzbare Gaskammer 10, die über ein Steuerventil 12 an einen Gasbehälter 14 angeschlossen ist. Zur Bearbeitung von Aluminium-, Titan- oder eisenhaltigen Oberflächen 8 ist der Gasbehälter 14 mit Stickstoff gefüllt, für Stahl wird je nach Stahlsorte ein stickstoff- und/oder kohlenstoffhaltiges Gas verwendet.
Zwischen der Unterkante der Gaskammer 10 und dem Werkstücktisch 2 ist ein enger Auslassschlitz freigehalten, so dass das in der Gaskammer 10 zunächst vorhandene Luftvolumen nach dem Öffnen des Steuerventils 12 durch den mit geringem Überdruck einströmenden Stickstoff aus der Gaskammer 10 ausgeschoben und während des anschließenden Vergütungsvorgangs durch die dann über den Auslassschlitz austretende Stickstoffleckage ein Eindringen von Luft verhindert wird.
Nach der vollständigen Gasbefüllung der Gaskammer 10 beginnt mit dem Einschalten des Lasers 6 der eigentliche Vergütungsvorgang, bei dem die oberflächennahe Randzone des Werkstücks 4 unter der Wirkung des Laserstrahls im Mikrobereich aufgeschmolzen und in Anwesenheit der Gasatmosphäre zu einer keramischen Verbindung umgewandelt wird. Durch entsprechende Steuerung des Laserstrahls lässt sich auf diese Weise auf der Bauteiloberfläche praktisch jedes beliebige Muster aus Punkt- oder linienförmigen Härtungsspuren im Mikrometerbereich und dazwischenliegenden ungehärteten Oberflächen-Teilstücken generieren.
2 zeigt eine derartige Oberflächenstruktur, einmal mit einem punktförmigen Härtungsmuster aus einzelnen Keramikkratern 16 (2a) und einmal mit einem linienförmigen Muster aus sich kreuzenden Keramikspuren 18 (2b), mit jeweils dazwischenliegenden, unbehandelten Oberflächenbereichen 20. Die Geometrie des Härtungsmusters wird natürlich ebenso wie das Verhältnis von ungehärteter zu gehärteter Oberfläche je nach Anwendungsfall unterschiedlich gewählt. So hat sich für tribolische Anwendungen eine Oberflächenstruktur mit vorwiegend in einer Richtung verlaufenden Härtungsspuren oder auch die in 2a gezeigte, gestaffelte Einzelkraterverteilung unter dem Gesichtspunkt einer günstigen Schmiertaschenbildung als besonders wirksam erwiesen.
Der Durchmesser d der Keramikkrater 16 bzw. die Linienbreite der Keramikspuren 18 liegt etwa zwischen 50 und 200 μm. Der Mittenabstand a der Keramikkrater 16 bzw. -spuren 18, aus dem sich der unbehandelte Flächenanteil ergibt, beträgt typischerweise 100 μm, kann aber auch bis zu einigen cm groß gewählt werden.

Claims

Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, bei dem das Bauteil in dem zu vergütenden Oberflächenbereich mittels eines energiereichen Laserstrahls aufgeschmolzen und die Metallschmelze in eine mit dieser zu einer keramischen Verbindung reagierende Gasatmosphäre eingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in dem zu vergütenden Oberflächenbereich an linien- oder punktförmigen, jeweils durch eine unbehandelte Oberflächenstruktur voneinander beabstandeten Laserspuren aufgeschmolzen und an diesen zu einer mikrofeinen Oberflächenstruktur keramisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenvergütung von Aluminium-, Titan- oder eisenhaltigen Bauteilen eine Stickstoffatmosphäre verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Oberflächenvergütung eines Formwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrotexturierung und -keramisierung auf eine Werkzeug-Teilfläche im Bereich eines auswechselbaren Werkzeugeinsatzes begrenzt wird.