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EP1127958B1 - Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche - Google Patents

Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche Download PDF

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Publication number
EP1127958B1
EP1127958B1 EP01102134A EP01102134A EP1127958B1 EP 1127958 B1 EP1127958 B1 EP 1127958B1 EP 01102134 A EP01102134 A EP 01102134A EP 01102134 A EP01102134 A EP 01102134A EP 1127958 B1 EP1127958 B1 EP 1127958B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
alloy powder
laser
cylinder bore
base material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01102134A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1127958A2 (de
EP1127958A3 (de
Inventor
Rolf Dipl.-Ing. Heinemann
Thomas Dipl.-Ing. Heider
Klaus Dipl.-Ing. Färber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7632549&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1127958(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP1127958A2 publication Critical patent/EP1127958A2/de
Publication of EP1127958A3 publication Critical patent/EP1127958A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1127958B1 publication Critical patent/EP1127958B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer

Definitions

  • the invention relates to a method for laser coating a surface, in particular an inner surface of a cylindrical bore of a component, in particular of an aluminum cylinder crankcase of an internal combustion engine.
  • hypoeutectic aluminum-silicon alloys are unsuitable due to the low proportion of wear-resistant silicon phase for the tribological stress of the system piston-piston ring cylinder bore.
  • Hypereutectic alloys for example the alloy AlSi 7 Cu 4 Mg, have a sufficient proportion of silicon crystallites.
  • This hard, wear-resistant structural constituent is emphasized by chemical and / or mechanical processing steps in relation to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required aerofoil fraction.
  • a disadvantage is the lack of castability, the poor machinability and the high cost of this alloy compared to the hypoeutectic and near-eutectic alloys.
  • under- and near-eutectic alloys are applied directly to the raceways as galvanic coatings.
  • this is expensive and tribochemically insufficient resistant.
  • thermal spray coatings which are also applied directly to the treads.
  • the adhesive strength of these layers is insufficient due to a sole micromechanical clamping.
  • the US-A-5,137,792 discloses a layer material with a functional layer, which is partially heated to homogenization by a laser beam and rapidly cooled again. As a result, the functional layer is converted in a thin surface area from an initially heterogeneous structure into a quasi-amorphous structure.
  • EP-A-0176803 describes a method in which the surface layer of a workpiece with a hardening material, such as silicon, coated and then melted so that the curing material passes into the edge layer.
  • a hardening material such as silicon
  • the present invention is therefore based on the object to improve a method of the type mentioned above so that a laser coating rate is increased or a processing time is shortened.
  • a base material of the surface is melted by means of a laser beam to a local molten bath and temporally and spatially spaced from a point of incidence of the laser beam, as shown in Fig. 1, for introducing a tribologically suitable surface, a hard component containing alloy powder is introduced into the molten bath and the molten bath is formed or the hard component of the alloy powder is selected such that the hard component of the alloy powder is not or only partially melted in the molten bath, so that this hard component is completely or at least partially embedded in the solid state in the base material, wherein the alloy powder at least one comprises further component which is completely melted in the molten bath.
  • the base material is melted so that the alloy powder is alloyed or welded on order.
  • the process can be carried out at lower laser energy or faster because the laser beam no longer has to apply the complete energy to melt or fuse certain portions of the alloy powder ,
  • the process can be performed with lower laser energy or faster because the laser beam no longer has to muster the full energy to melt the base material.
  • the base material is melted to a depth of ⁇ 0.2 mm to the molten bath.
  • the alloy powder silicon with a particle size of 35 .mu.m to 100 .mu.m, preferably 50 .mu.m, are selected.
  • Various alloying, dispersing and application structures are achieved by passing a laser focus or melting point over the inner surface in a predetermined pattern.
  • a laser focus is moved at a feed rate ⁇ 4000 mm / min.
  • a laser focus is passed over the surface of a cylinder bore of a crankcase for a piston having piston rings to form a raceway for the piston in the cylinder bore such that there is a predetermined distance in the axial direction between areas of the surface fused to a laser track width, wherein this distance is equal to or greater than a thickness of the piston rings is selected.
  • a laser focus is passed over the surface of a cylinder bore of a crankcase for a piston to form a tread for the piston in the cylinder bore, with about 2 mm above a TDC of the piston in the cylinder bore and is coated to about 2 mm below a UT of the piston in the cylinder bore.
  • a laser focal point is passed over the surface of a cylinder bore of a crankcase for a piston for forming a running surface for the piston in the cylinder bore, wherein below a UT of the piston in the cylinder bore in a region of a piston stop or in an area in which Piston changes its plant, a punctiform, linear or planar coating is formed.
  • FIG. 1 schematically illustrates the basic principle of a laser surface treatment of a base material 10 on a surface 12 by means of a laser beam 14, which is moved in the feed direction 16.
  • the laser beam 14 melts the base material 10 into a molten bath 18, into which a corresponding alloy powder 20 is introduced.
  • the alloy powder 20 is melted in the molten bath 18 and forms a matrix together with the base material 10.
  • the matrix is finally solidified and forms, for example, a tribologically suitable surface in the form of a running surface on a cylinder wall for a piston in a cylinder crankcase of an internal combustion engine.
  • the alloy powder 20 is composed, for example, of one or more components k 1 , k 2 , .... k n .
  • a high laser coating rate is now achieved by the choice of the suitable components k of the alloy powder 20 and by a suitable definition of the degree of melting of the molten bath 18, wherein at least one component k 1 of the alloy powder 20 is not or only partially fused and the base material 10 possibly together with molten components k 2 ,... k n of the alloy powder 20 forms the metallic matrix M of the layer 22 thus formed.
  • the unfused component k 1 is thereby embedded in the solid state of aggregation in the matrix.
  • one or more components of the alloy powder 20 are not or only partially melted and other components of the alloy powder 20, which are ideally low melting or form a low-melting alloy with the base material 10, are completely melted.
  • the energy of the laser beam 14 or the components k of the alloy powder are selected such that the following relations with respect to respective melting points T S result: T S k 1 > T S G . T S k 2 . ⁇ T S k n or T S k 1 > T S G ,
  • the component k 1 in the solid state is embedded in the matrix M without ever being melted. Due to the fact that one or more components k 2 ... k n of the alloy powder 20 need not be melted or only partially melted, a smaller amount of energy is necessary. Consequently, with the same laser output, the feed 16 of the laser surface processing can be increased or the focus on the surface 12 can be increased, so that the coating rate is increased and the manufacturing time is reduced.
  • a typical feed rate 16 of the laser beam 14 on the surface 12 is, for example, based on the circumference of a cylindrical bore, 4000 mm / min or more.
  • Fig. 3 illustrates a laser surface treatment of the surface 12 with base material 10 by means of laser beam 14 with an alloying of an alloy powder with two or n-components.
  • the conditions relating to the melting points T S of the unfused component k 1 of the alloy powder, the base material G 10 and the other components k 2 ... k n are selected analogously, as described above with reference to FIG. 2. Only the laser power is chosen such that the molten bath 18 has a greater penetration depth into the base material 10. The component k 1 24 is again unmelted embedded in the solid state in the matrix M.
  • This type of laser surface treatment is referred to as Einlegieren, while the machining of FIG. 2 is commonly referred to as build-up welding.

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  • Removal Of Insulation Or Armoring From Wires Or Cables (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche, insbesondere einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine.
  • Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring-Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z.B. die Legierung AlSi7Cu4Mg, besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.
  • Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.
  • Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen ais galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.
  • Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 196 43 029 A1 oder der EP 0 950 461 A2 bekannt. Hierbei wird ein zu bearbeitender Hohlkörper, welcher zylinderförmig mit einer rotationssymmetrischen Zylinderachse ausgebildet ist, ortsfest gehalten und eine Umlenkoptik für den Laserstrahl sowie eine Zuführung für Legierungspulver rotiert und gleichzeitig entlang der Zylinderachse vorgeschoben. Der auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Körpers fallende Laserstrahl erzeugt an der Zylinderwand im Bereich einer Kolbenlauffläche ein Schmelzbad, in welches hier vorzugsweise Silizium oder andere Hartstoffe eingebracht werden, um eine verschleißfeste, tribologisch geeignete Lauffläche zu erhalten. Bei derartigen bekannten Verfahren ist es jedoch nachteilig, daß eine relativ hohe Bearbeitungsdauer und Laserenergie erforderlich ist, wodurch sich die Herstellung von beispielsweise Zylinderkurbelgehäusen aufwendig und kostenintensiv gestaltet.
  • Die US-A-5,137,792 offenbart einen Schichtwerkstoff mit einer Funktionsschicht, welche zur Homogenisierung durch einen Laserstrahl partiell stark erhitzt und schnell wieder abgekühlt wird. Dadurch wird die Funktionsschicht in einem dünnen Oberflächenbereich von einer zunächst heterogenen Struktur in eine quasi amorphe Struktur überführt.
  • In EP-A-0176803 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem die Randschicht eines Werkstücks mit einem härtenden Material, z.B. Silizium, bestrichen und anschließend derart aufgeschmolzen wird, daß das härtende Material in die Randschicht gelangt.
  • In der US-A-4,732,778 wird ein Verfahren zur Beschichtung einer Aluminiumlegierung beschrieben. Hierzu wird in einem ersten Schritt eine Pulvermischung, bestehend aus einem keramischen Pulver eines Metallkarbids (Hartkomponente) und aus einem metallischen Pulver, das Silizium und ein metallisches Element aufweist, auf einen zu beschichtenden Grundkörper aus Aluminiumlegierung aufgebracht. In einem zweiten Schritt wird diese Pulvermischung durch einen Laser derart erhitzt, daß sowohl das metallene Pulver der Pulvermischung ais auch die Oberfläche des Aluminiumgrundkörpers schmelzen und dadurch die Pulvermischung und die Oberfläche des Alumniumgrundkörpers vereinigt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Laserbeschichtungsrate erhöht bzw. eine Bearbeitungsdauer verkürzt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Grundwerkstoff der Oberfläche mittels eines Laserstrahls zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und zeitlich sowie örtlich von einem Auftreffpunkt des Laserstrahls beabstandet nachfolgend, wie in Fig. 1 dargestellt, zwecks Bildung einer tribologisch geeigneten Oberfläche ein eine Hartkomponente aufweisendes Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht wird und das Schmelzbad derart gebildet wird bzw. die Hartkomponente des Legierungspulvers derart gewählt wird, dass die Hartkomponente des Legierungspulvers in dem Schmelzbad nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen wird, so dass diese Hartkomponente vollständig oder wenigstens teilweise im festen Aggregatzustand in den Grundwerkstoff eingebettet wird, wobei das Legierungspulver wenigstens eine weitere Komponente umfasst, die im Schmelzbad vollständig aufgeschmolzen wird.
  • Dies hat den Vorteil, daß bei erhöhtem Laserbearbeitungsvorschub und geringerer Laserbearbeitungszeit die Wirtschaftlichkeit der Laseroberflächenbearbeitung erhöht wird. Dadurch steht ein Verfahren mit erhöhter Beschichtungs- bzw. Einlegierungsleistung zur Verfügung, wobei eine Beschichtungsrate bei der Laseroberflächenbearbeitung von Innenflächen, wie beispielsweise Rohren, insbesondere von Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäusen, wie beispielsweise Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen, verbessert ist.
  • Zweckmäßigerweise wird der Grundwerkstoff derart aufgeschmolzen, daß das Legierungspulvereinlegiert oder auftragsgeschweißt wird.
  • Dadurch, daß das Legierungspulver oder wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers vor dem Einbringen in das Schmelzbad vorgewärmt wird, kann das Verfahren mit niedrigerer Laserenergie bzw. schneller durchgeführt werden, da der Laserstrahl nicht mehr die vollständige Energie zum Aufschmelzen oder Anschmelzen bestimmter Anteile des Legierungspulvers aufbringen muß.
  • Dadurch, daß vor dem Erzeugen des Schmelzbades der Grundwerkstoff vorgewärmt wird, kann das Verfahren mit niedrigerer Laserenergie bzw. schneller durchgeführt werden, da der Laserstrahl nicht mehr die vollständige Energie zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffes aufbringen muß.
  • Beispielsweise wird der Grundwerkstoff mit einer Tiefe von ≤ 0,2 mm zum Schmelzbad aufgeschmolzen. Hier kann z.B. als wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers Silizium mit einer Teilchengröße von 35 µm bis 100 µm, vorzugsweise 50 µm, gewählt werden.
  • Verschiedenste Einlegierungs-, Dispergierungs- und Auftragsstrukturen erzielt man dadurch, daß ein Laserbrennpunkt oder Schmelzpunkt in einem vorbestimmten Muster über die Innenfläche geführt wird.
  • Zweckmäßigerweise wird ein Laserbrennpunkt mit einer Vorschubgeschwindigkeit ≥ 4000 mm/min bewegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Laserbrennpunkt über die Oberfläche einer Zylinderbohrung eines Kurbelgehäuses für einen Kolben mit Kolbenringen zum Ausbilden einer Lauffläche für den Kolben in der Zylinderbohrung derart geführt, daß sich in axialer Richtung ein vorbestimmter Abstand zwischen mit einer Laserspurbreite aufgeschmolzenen Bereichen der Oberfläche ergibt, wobei dieser Abstand gleich groß oder größer als eine Dicke der Kolbenringe gewählt wird.
  • Für eine vollständige Abdeckung einer Lauffläche eines Kolbens in der Zylinderbohrung wird ein Laserbrennpunkt über die Oberfläche einer Zylinderbohrung eines Kurbelgehäuses für einen Kolben zum Ausbilden einer Lauffläche für den Kolben in der Zylinderbohrung geführt, wobei bis ca. 2 mm oberhalb eines OT des Kolbens in der Zylinderbohrung und bis ca. 2 mm unterhalb eines UT des Kolbens in der Zylinderbohrung beschichtet wird.
  • In vorteilhafter Weise wird ein Laserbrennpunkt über die Oberfläche einer Zylinderbohrung eines Kurbelgehäuses für einen Kolben zum Ausbilden einer Lauffläche für den Kolben in der Zylinderbohrung geführt, wobei unterhalb eines UT des Kolbens in der Zylinderbohrung in einem Bereich eines Kolbenanschlages bzw. in einem Bereich in dem der Kolben seine Anlage wechselt, eine punktförmige, linienförmige oder flächenhafte Beschichtung ausgebildet wird.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
    • Fig. 1
    eine Prinzipdarstellung einer Laseroberflächenbeschichtung,
    Fig. 2
    eine Laserbeschichtung einer Oberfläche mit flacher Einlegierung eines Legierungspulvers in schematischer Schnittansicht und
    Fig. 3
    eine Laserbeschichtung einer Oberfläche mit tiefer Einlegierung eines Legierungspulvers in schematischer Schnittansicht.
  • Fig. 1 veranschaulicht schematisch das Grundprinzip einer Laseroberflächenbearbeitung eines Grundwerkstoffes 10 an einer Oberfläche 12 mittels eines Laserstrahls 14, der in Vorschubrichtung 16 bewegt wird. Der Laserstrahl 14 schmilzt den Grundwerkstoff 10 zu einem Schmelzbad 18 auf, in das ein entsprechendes Legierungspulver 20 eingebracht wird. Üblicherweise wird das Legierungspulver 20 in dem Schmelzbad 18 aufgeschmolzen und bildet zusammen mit dem Grundwerkstoff 10 eine Matrix aus. In einem Bereich 22 ist dann schließlich die Matrix erstarrt und bildet beispielsweise eine tribologisch geeignete Oberfläche in Form einer Lauffläche an einer Zylinderwand für einen Kolben in einem Zylinderkurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine.
  • Das Legierungspulver 20 setzt sich beispielsweise aus ein oder mehreren Komponenten k1, k2, ....kn zusammen. Der Schmelzpunkt der Matrix TS(M) ist bei einer Einlegierung, bei der das Pulver vollständig aufgeschmolzen ist, kleiner als der Schmelzpunkt des Grundwerkstoffes TS(G), wobei TS(M) = TS(k1,k2, ... kn + G) (siehe Fig. 1).
  • Erfindungsgemäß wird nun eine hohe Laserbeschichtungsrate durch die Wahl der geeigneten Komponenten k des Legierungspulvers 20 und durch eine geeignete Festlegung des Schmelzgrades des Schmelzbades 18 erreicht, wobei wenigstens eine Komponente k1 des Legierungspulvers 20 nicht oder nur teilweise angeschmolzen wird und der Grundwerkstoff 10 ggf. zusammen mit angeschmolzenen Komponenten k2,...kn des Legierungspulvers 20 die metallische Matrix M der so gebildeten Schicht 22 bildet. Die nicht angeschmolzene Komponente k1 wird dabei im festen Aggregatzustand in die Matrix eingebettet. Mit anderen Worten wird eine oder werden mehrere Komponenten des Legierungspulvers 20 nicht oder nur teilweise angeschmolzen und weitere Komponenten des Legierungspulvers 20, die idealerweise niedrig schmelzend sind bzw. mit dem Grundwerkstoff 10 eine niedrig schmelzende Legierung bilden, werden vollständig aufgeschmolzen.
  • Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Laseroberflächenbehandlung des Grundwerkstoffes 10 erfolgt eine flache Einlegierung eines Legierungspulvers mit zwei oder n-Komponenten, wobei die Komponente k1 24 des Legierungspulvers 20 im Schmelzbad 18 nicht angeschmolzen wird. Die Matrix M setzt sich hierbei lediglich aus den angeschmolzenen Komponenten k2 des Legierungspulvers 20 zusammen mit dem Grundwerkstoff G 10 zusammen: M = k2 + G. Hierbei ist die Energie des Laserstrahls 14 bzw. sind die Komponenten k des Legierungspulvers derart gewählt, daß sich folgendes Relationen bezüglich jeweiliger Schmelzpunkte TS ergeben: T S k 1 > T S G , T S k 2 , ⋯ T S k n
    Figure imgb0001
    oder T S k 1 > T S G .
    Figure imgb0002
  • Mit anderen Worten wird die Komponente k1 im festen Aggregatzustand, ohne jemals aufgeschmolzen zu werden, in die Matrix M eingebettet. Bedingt dadurch, daß eine oder mehrere Komponenten k2...kn des Legierungspulvers 20 nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen werden müssen, ist eine geringere Energiemenge notwendig. Folglich kann bei gleichbleibender Laserausgangsleistung der Vorschub 16 der Laseroberflächenbearbeitung erhöht oder der Fokus an der Oberfläche 12 vergrößert werden, so daß die Beschichtungsrate erhöht und Fertigungszeit reduziert ist.
  • Zur weiteren Erhöhung der Laserbearbeitungsrate wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Grundwerkstoff 10 und/oder wenigstens eine Komponente k des Legierungspulvers 20 vorzuwärmen, da im Normalfall ein Teil der Laserleistung des Laserstrahles 14 zum Erwärmen des Grundwerkstoffes 10 benötigt wird.
  • Eine typische Vorschubgeschwindigkeit 16 des Laserstrahles 14 auf der Oberfläche 12 beträgt, beispielsweise bezogen auf den Umfang einer zylinderförmigen Bohrung, 4000 mm/min oder mehr.
  • Fig. 3 veranschaulicht eine Laseroberflächenbehandlung der Oberfläche 12 mit Grundwerkstoff 10 mittels Laserstrahl 14 mit einer Einlegierung eines Legierungspulvers mit zwei oder n-Komponenten. Hierbei sind die Verhältnisse betreffend der Schmelzpunkte TS der nicht aufgeschmolzenen Komponente k1 des Legierungspulvers, des Grundwerkstoffes G 10 und der übrigen Komponenten k2 ... kn analog, wie oben in bezug auf Fig. 2 beschrieben, gewählt. Lediglich die Laserleistung ist derart gewählt, daß das Schmelzbad 18 eine größere Eindringtiefe in den Grundwerkstoff 10 aufweist. Die Komponente k1 24 wird wiederum unaufgeschmolzen im festen Aggregatzustand in die Matrix M eingebettet. Diese Art der Laseroberflächenbehandlung bezeichnet man als Einlegieren, während die Bearbeitung gemäß Fig. 2 üblicherweise als Auftragsschweißen bezeichnet wird.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Grundwerkstoff
    12
    Oberfläche
    14
    Laserstrahl
    16
    Vorschubrichtung
    18
    Schmelzbad
    20
    Legierungspulver
    22
    erstarrter Bereich
    24
    Komponente K1 des Legierungspulvers

Claims (11)

  1. Verfahren zum Laserbeschichten einer tribologisch beanspruchten Oberfläche, insbesondere einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils aus einem mittels eines Laserstrahls aufschmelzbaren Grundwerkstoff, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei ein Grundwerkstoff der Oberfläche mittels eines Laserstrahls zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und zeitlich sowie örtlich von einem Aufftreffpunkt des Laserstrahls beabstandet nachfolgend, wie in Fig. 1 dargestellt, zwecks Bildung einer tribologisch geeigneten Oberfläche ein eine Hartkomponente aufweisendes Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht wird und das Schmelzbad derart gebildet wird bzw. die Hartkomponente des Legierungspulvers derart gewählt wird, dass die Hartkomponente des Legierungspulvers in dem Schmelzbad nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen wird, so dass diese Hartkomponente vollständig oder wenigstens teilweise im festen Aggregatzustand in den Grundwerkstoff eingebettet wird, wobei
    das Legierungspulver wenigstens eine weitere Komponente umfasst, die im Schmelzbad vollständig aufgeschmolzen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff derart aufgeschmolzen wird, daß das Legierungspulver einlegiert oder auftragsgeschweißt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver oder wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers vor dem Einbringen in das Schmelzbad vorgewärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erzeugen des Schmelzbades der Grundwerkstoff vorgewärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff mit einer Tiefe von ≤ 0,2 mm zum Schmelzbad aufgeschmolzen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers Silizium mit einer Teilchengröße von 35 µm bis 100 µm, vorzugsweise 50 µm, gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserbrennpunkt oder Schmelzpunkt in einem vorbestimmten Muster über die Innenfläche geführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserbrennpunkt mit einer Vorschubgeschwindigkeit ≥ 4000 mm/min bewegt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserbrennpunkt derart über die Oberfläche einer Zylinderbohrung eines Kurbelgehäuses für einen Kolben mit Kolbenringen zum Ausbilden einer Lauffläche für den Kolben in der Zylinderbohrung geführt wird, daß sich in axialer Richtung ein vorbestimmter Abstand zwischen mit einer Laserspurbreite aufgeschmolzenen Bereichen der Oberfläche ergibt, wobei dieser Abstand gleich groß oder größer als eine Dicke der Kolbenringe gewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserbrennpunkt über die Oberfläche einer Zylinderbohrung eines Kurbelgehäuses für einen Kolben zum Ausbilden einer Lauffläche für den Kolben in der Zylinderbohrung geführt wird, wobei bis ca. 2 mm oberhalb eines OT des Kolbens in der Zylinderbohrung und bis ca. 2 mm unterhalb eines UT des Kolbens in der Zylinderbohrung beschichtet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserbrennpunkt über die Oberfläche einer Zylinderbohrung eines Kurbelgehäuses für einen Kolben zum Ausbilden einer Lauffläche für den Kolben in der Zylinderbohrung geführt wird, wobei unterhalb eines UT des Kolbens in der Zylinderbohrung in einem Bereich eines Kolbenanschlages bzw. in einem Bereich in dem der Kolben seine Anlage wechselt, eine punktförmige, linienförmige oder flächenhafte Beschichtung ausgebildet wird.
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EP1127958A2 EP1127958A2 (de) 2001-08-29
EP1127958A3 EP1127958A3 (de) 2003-04-16
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