DE2740569B2

DE2740569B2 - Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberflächen von Gegenständen aus nicht-allotropen metallischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE2740569B2
Application number: DE2740569A
Authority: DE
Inventors: Uck Il Farmington Hills Chang; Chia-Ming Plymouth Yen
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1981-01-29
Also published as: JPS5334618A; CA1093433A; US4157923A; DE2740569A1; FR2371520B1; GB1587235A; IT1079283B; JPS6037176B2; ES462164A1; FR2371520A1

Description

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberflächen von Gegenständen aus nicht-allotropen metallischen Werkstoffen angegeben. Nicht-allotrop ist hier so definiert, daß nicht umwandlungshärtbare Metalle mit einer Härte unter HR_C25 umfaßt werden.

Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche von Gegenständen aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink und solchen Aluminiumlegierungen, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 1,047 W/cm ■ °C beträgt und deren Härte unter einem Wert von HR_C25 liegt, mit einem Hochenergiestrahl, der eine Leistungsdichte auf der 5 Oberfläche von mindestens 10 000 Watt/cm² bewirkt in den ausgewählten Bereichen aufgeschmolzen wird, und daß ein Legierungsmetall, das intermetallische Verbindungen mit dem Werkstoff des Gegenstandes bildet in die Schmelzzone eingeführt wird, wobei die Schmelztiefe und die Erwärmung der Umgebung durch die Leistungsdichte und die Verweildauer des Strahls so geregelt werden, daß sowohl eine hinreichende Legierungstiefe als auch eine hinreichend kurze Abkühldauer erreicht wird.

Der Hochenergiestrahl ist vorzugsweise ein Laserstrahl, der durch eine Einrichtung mit einem Energiewert von wenigstens 500 Watt erzeugt wird. Das Verfahren kann in verschiedenen Richtungen variiert werden:

a) die Legierungsbestandteile können vorher über die durch den Strahl beeinflußte Zone abgeschieden werden, so daß sie bei Schmelzen des Grundmaterials in der Zone turbulent vermischt werden,

b) die Bestandteile können als ein Draht vorliegen und in den Hochenergiestrahl eingeführt werden, um gleichzeitig mit dem Grundmaterial geschmolzen zu werden,

c) die Legierungsbestandteile werden so ausgewählt, daß sie eine Affinität zur Bildung intermetallischer Verbindungen mit der nicht-allotropen Metallgrundlage aufweisen, wie beispielsweise Kupfer, Mangan, Chrom, Zink, Kobalt Magnesium, Molybdän, Titan, Vanadium, Wolfram, Zirkonium, Eisen und Nickel für eine Aluminiumgrundlage und Silicium als unabhängiges abnützungsbeständiges Teilchen und

d) die Legierungsbestandteile werden im Hinblick auf die Dicke der geschmolzenen Zone so bemessen, daß eine gewünschte Legierungskonzentration nach dem Schmelzen erhalten wird, um größere Härte, größere Korrosionsbeständigkeit oder größere Dauerstandfestigkeit des beeinflußten Oberflächenbereiches des Gegenstandes zu fördern.
Bei vielen industriellen Anwendungen ist es erwünscht. Gegenstände mit einem billigen und leichten Material als Kernbestandteil herzustellen; derartige Materialien umfassen in typischer Weise nicht-allotrope "■►Metalle einschließlich Aluminium. Wie vorstehend erwähnt, sollen nicht-allotrope Metalle hier nicht umwandlungshärtbare Metalle mit einer Härte von weniger als HRc25 bedeuten. Die Oberfläche derartiger Gegenstände muß auch Eigenschaften aufweisen, die durch das Kernmaterial selbst nicht geliefert werden. Derartige verbesserte physikalische und chemische Eigenschaften können hohe Härte, hohe Festigkeit, Abnutzungsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur und Korrosionsbeständigkeit umfassen.

Es muß eine bestimmte Form einer neuen Oberflächenbehandlungstechnik entwickelt werden, um diese bo Eigenschaften in einer genau gewählten Oberflächenzone ohne Beeinträchtigung des nicht-allotropen Metallkerns zu erzielen; diese Verbesserung der Eigenschaft kann durch Anwendung der bisher bekannten Oberflächenbehandlungstechnik nicht in wirtschaftlich annehmbarer Weise erreicht werden. Bekannte Behandlungstechniken umfassen:

a) die Sättigung der Oberflächenzone, beispielsweise durch Einsatzhärtung oder Nitrierung,

b) Umwandlung der Verfestigungsphase der Oberflächenzone in eine härtere,

c) Anbringung eines Oberzugs oder

d) Legieren oder Wärmebehandeln d:s gesamten Gegenstandes. ί

Nitrierung und Einsatzhärtung werden mit Erfolg für Substrate auf Eisengrundlage angewendet, sind jedoch bei Nicht-Eisenmetallen nicht erfolgreich. Die ¹Jmwandlungshärtung ist recht erfolgreich bei Substraten auf Eisengmndlage, ist jedoch nicht erfolgreich bei ι ο Aluminium und vielen anderen nicht-alloiropen Materialien. Fest verbundene Überzüge sind teuer und können geringe Dauerhaftigkeit aufweisen. Die Behandlung des gesamten Gegenstandes ist energieverschwendend, weist geringe Produktivität auf und versagt hinsichtlich der Erzielung unterschiedlicher Eigenschaften im Kern und der Oberflächenzone. Beispielsweise wurde bisher bei einem Aluminiumgegenstand und dgL in erster Linie Ausscheidungshärtung über den gesamten Gegenstand verwendet Dieses Verfahren ist aus einer Reihe von Gründen einschließlich hoher Kosten, Deformierung und geringe Produktivität nicht zufriedenstellend. Es wurden wenige oder keine Untersuchungen mit Bezug auf die Behandlung von Oberflächenbereichen von Aluminium durchgeführt, und es wurden keine Untersuchungen mit Bezug auf die Verwendung eines hoch konzentrierten Energiestrahls als einem der Faktoren in dieser Oberflächenbehandlungstechnik durchgeführt

Wärmequellen mit einer Energie hoher Intensität wurden zum Schweißen, Schneiden und Bohren und in bestimmten begrenzten Arten zum Zweck der Oberflächenhärtung von Materialien auf eisenhaltiger Grundlage verwendet Der Hochenergiestrahl kann zum Schmelzen eines sehr oberflächlichen Bereiches eines Gegenstandes auf Eisengrundlage angewendet werden, mit dem Ergebnis, daß das geschmolzene Material in eine härtere Phase nach Entfernen des Energiestrahls umgewandelt werden kann, wodurch der Gegenstand als Selbstkühlmedium wirken kann. Jedoch ist die Technik der Anwendung eines Hochenergiestrahls für die Oberflächenhärtung von Material auf eisenhaltiger Basis grundlegend verschieden von seiner Verwendung bei Anwendung auf nicht-eisenhaltige und insbesondere nicht-allotrope Materialien.

Wenige oder keine Überlegungen wurden hinsichtlich des Konzepts der Regelung der Einführung von Legierungsbestf.ndteilen zu geregelten Tiefen und Anteilen in eine nicht-allotrope Metallgrundlage, wie beispielsweise Aluminium, durch Anwendung eines Strahls hoher Energie angestellt. Der Mangel an Untersuchungen kann auf die herrschende Meinung zurückzuführen sein, daß die Brauchbarkeit eines derartigen Strahls bei Anwendung auf Aluminium begrenzt sein würde, da

a) das Schmelzen in typischer Weise nicht zu einer gehärteten umgewandelten Phase innerhalb dieses Materials führt,

b) die bisherige Erfahrung mit Ofenwärmebehandlung begrenzte Härtewerte, zu denen viele nicht-allotro- ω pe Metalle gehärtet werden konnten, anzeigte,

c) wegen des Mangels an technischem Bedarf, zu untersuchen, wie; lokalisierte Zonen unter wenig Deformierung tißfgehärtet werden können und

d) wegen der Verfügbarkeit alternierender Härtungs- h5 techniken für defl technischen Bedarf, der gewöhnlich aus oberflächlichen nicht stark abnuztungsfähigen Oberflächen bestand, wobei eine derartige Technik die Plasmasprühung ist welche das Substrat nicht deformierte und sehr flexibel in der Anwendung war.

Somit wurde die Brauchbarkeit eines Hochenergiestrahls bei Anwendungen mit Aluminium und dergleichen in Betracht gezogen.

Insbesondere im Hinblick auf Aluminium können bei der derzeitigen Technik ein oder mehrere der folgenden Nachteile auftreten:

a) der Gegenstand kann als Ergebnis der Härtungsbehandlung in hohem Maße deformiert oder verworfen sein,

b) die Oberflächenkontur des zu behandelnden Teils kann unregelmäßig sein und ist daher einer gleichmäßigen Behandlung nicht zugänglich, oder der Gegenstand kann unterschiedliche Abschnitte aufweisen und die unterschiedlichen Abschnitte sprechen verschieden auf die Härtungsbehandlung an, wodurch Ungleichmäßigkeit verursacht wird,

c) die Kosten der Härtung eines Aluminiumgegenstandes können aufgrund des Erfordernisses teurer Anlagen oder Arbeitskraft relativ hoch sein,

d) das Verfahren zur thermischen Behandlung ist nicht in der Lage, eine flache gleichmäßige Tiefe der Randzone mit Genaugikeit zu erhalten,

e) das Behandlungsverfahren ist nicht in der Lage, selektive Präzisionsmuster der Einsatzhärtung oder Schalenhärtung Ober eine gegebene Oberfläche zu erreichen,

das bisherige Verfahren ist unfähig, einen kieinen Bereich eines Gegenstandes von großen Abmessungen wirtschaftlich zu härten,
g) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, kleine Bereiche, die in einem komplizierten Teil schwierig zu erreichen sind, zu härten,

h) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, ohne potentielle Schädigung benachbarter Teile angewendet zu werden,
i) das Abkühlen wird schwierig, zumindest mit bestimmten bisherigen Verfahren und
j) die bisherigen Verfahren eignen sich nicht für extrem hohe Volumen und hohe Produktionsgeschwindigkeiten.

Somit besteht ein Bedarf für ein Verfahren zu. Oberflächenbehandlung von Aluminiumgegenständen und dgl., das die obigen Schwierigkeiten beseitigt und zusätzlich die Oberflächenbehandlungstechnik für nichtallotrope Materialien verbessert, um sämtliche erwünschten physikalischen Eigenschaften mit entsprechender Regelung zu erleichtern.

Es wurde in der Literatur bereits auf das Elektronenstrahl-Umschmelzveredeln hingewiesen, ohne daß dabei die Anwendung des Stahls hoher Energie auf bestimmte Bereiche definierter nicht-allotroper Metalle unter Berücksichtigung der erfindungsgemäß geforderten Bedingungen in Betracht kam. Das bekannte Verfahren soll auf Werkstücke aus Gußeisen, das allotrop ist, anwendbar sein. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus Leichtmetall durch schichtweises Übereinanderlegen von Folien oder Blechen aus dem Leichtmetall und Pulverplättchen oder Fasern aus dem einzulagernden Stoff und Aufschmelzen de^ in dem Schichtkörper enthaltenden Leichtmetalls durch orthogonal zu den Schichten gerichtete, den Schichtkörper durchdringende Ladungsträgerstrahlen bekannt. Weder die erfindungsgemäße Ausrichtung des Legierungsverfahrens auf Bereiche bestimmter nicht-allotroper Metalle noch die geforderte Regelung von

Strahlenenergie, Bereich der Grenzfläche des Strahls mit dem Gegenstand und Verweilzeit des Strahls auf dem Bereich des Gegenstandes, die jedoch die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ausmachen, sind aus dem Bekannten zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung wird ein Hochenergiestrahl von wenigstens 10 000 Watt/cm² an der Grenzfläche mit dem Aluminiumsubstrat verwendet; Legierungsbestandteile werden an der Grenzfläche so angebracht, daß sich nach Verfestigung der in Turbulenz befindlichen geschmolzenen Zone eine legierungsreiche Zone ergibt. Die Masse des Substrats wird so geregelt, daß sich Selbstabkühlung ergibt und die Legierungsabscheidung in geeigneter Korngröße sichergestellt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem verbesserten Legierungsverfahren zur Erzielung der Einsatzhärtung von Metallgegenständen, wobei das Verfahren insbesondere durch größere Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet ist. Deformierung aufgrund des Behandlungsverfahrens ausschaltet oder vermindert, für ungleichmäßige und in unterschiedlichem Verhältnis vorliegende Teile geeignet ist und zweckmäßig ist, um mit einer Vielzahl von Metallsubstraten zu arbeiten, die normalerweise nicht auf Behandlungen nach dem Stand der Technik ansprechen. Das Verfahren soll zum praktisch lokalisierten Gießen geeignet sein und die Behandlung einer genau ausgewählten ausgesetzten Zone eines nicht-allotropen Metallgegenstandes ermöglichen, um physikalische Eigenschaften in dieser Zone, die bisher nicht erreichbar waren und bei einer höheren Produktionsgeschwindigkeit zu erhalten. Dabei sollen die physikalischen Eigenschaften einer gewählten Oberflächenzone eines nicht-allotropen Metalls durch geregeltes Widerschmelzen in Gegenwart abgestimmter Legierungsbestandteile und Metalle durch Integrierung eines legierungsreichen Oberflächenbereichs, der hinsichtlich Breite und Tiefe und einer präzisen Zone geregelt ist, zu härten, um Musterlegierungen oder gesamte Oberflächenabdeckung zu erleichtern.

Gemäß obiger Aufgabe umfassen die Merkmale

a) die Anwendung eines Hochenergiestrahls, welcher einen Energiewert an der Grenzfläche mit dem Gegenstand von wenigstens 10 000 Watt/cm² aufweist wobei der Strahl entweder entbündelt oder oszilliert ist, um eine effektiv größere kontrollierte Zone zu bedecken und der Strahl angewendet wird, um eine begrenzte Zone des Substrats rasch zu schmelzen und in dem geschmolzenen Metall eine Turbulenz zu erzeugen, die gegebenenfalls das Legieren fördert,

b) relativ rasche Bewegung des Hochenergiestrahls, so daß nach Bewegung des Strahls von der begrenzten Zone die Masse des umgebenden nicht-allotropen Materials die wärmebeeinflußte Zone durch Konduktion abschreckt,

c) das Heranführen eines oder mehrerer Legierungsmitte] an die Grenzfläche zwischen dem Hochenergiestrahl und dem nicht-allotropen Gegenstand, so daß die strahlbeeinflußte Zone mit den Legierungsmitteln gesättigt wird und intermetallische Verbindungen gebildet werden, gegebenenfalls mit einer zwischen der legierten Zone und dem Grundmetall geförderten metallurgischen Bindung,

d) einen Laser für den Energiestrahl, wobei der Energiewert des Laserstrahls in bezug auf die Geschwindigkeit der Bewegung des Strahls eingestellt wird, um eine vorbestimmte Tiefe der¹ strahlbeeinflußten Zone herzustellen.

e) als pulverförmiges Material zugeführte Legierungsmittel, die vorher auf die Grundlegierung, beispielsweise durch Plasma aufgesprüht oder aufgebürstet und/oder gleichzeitig mit einem geeigneten Harz aufgebracht werden oder durch Anwendung der Zuführung eines Legierungsdrahtes oder einer -folie in den Strahl angrenzend an die Grenzfläche zwischen dem Strahl und der Grundlegierung zugeführt werden, wodurch die Grundlegierung gleichzeitig mit der Legierung geschmolzen werden kann und

f) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Substrat und ein Legierungsmittel, das eine Affinität zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Aluminium aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert, in denen

F i g. 1 einen schematischen Schnitt einer frühen Stufe der Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Ausführungsform in der Legierung einer Randzone eines Metallsubstrates besteht;

F i g. 2 einen schematischen Schnitt einer nachfolgenden Stufe für die Ausführungsform der Fig. 1, insbesondere unter Schmelzen sowohl einer Legierungsschicht als auch einer darunter angrenzenden Zone des Grundmetalls;

F i g. 3 einen schematischen Schnitt des sich aus der Durchführung der Stufen der Fig. 1 und 2 ergebenden Produktes, wobei das Produkt einem einzigen Durchgang der Schmelzvorrichtung unterzogen worden ist,

F i g. 4 eine Schnittansicht im wesentlichen längs der Linie 4-4 der F i g. 3, weiche die Tiefe und Kontinuität des einzelnen Durchgangs erläutert;

Fig.5 eine Schnittansicht ähnlich der Fig.3, die jedoch das Ergebnis eines mehrfach sich überlappenden Durchgangs der Schmelzvorrichtung zeigt;

Fig.6 einen schematischen Schnitt ähnlich dem von F i g. 2, welcher eine Alternativausführungsform der gleichzeitigen Durchführung der ersten und zweiten Stufe zeigt;

F i g. 7 bis 9 eine schematische Darstellung verschiedener lasererzeugenden Vorrichtungen, die sich für die Durchführung der Erfindung eignen;

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Laserkonzentriervorrichtung zur Richtung des Strahls auf einen zu erhitzenden Gegenstand;

F i g. 11 eine schematische Darstellung eines Typs einer Plasmapulverüberzugsvorrichtung, die in Verbindung mit dem Verfahren der F i g. 1 bis 3 verwendet werden kann und

Fig. 12 eine schematische perspektivische Ansicht eines Typs einer Elektronenstrahlvorrichtung, die zur Durchführung der Erfindung verwendet werden kann,
wiedergegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Das allgemeine Konzept der Erfindung besteht darin, verbesserte physikalische Eigenschaften in einer behandelten Zone längs des äußeren Bereiches eines Gegenstandes, der aus einem nicht-allotropen Metall (von ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit) gebildet ist, ohne nachteilige Beeinflussung des Restes des Gegenstandes zu erzielen. Die behandelte Zone ist in typischer Weise so ausgebildet, daß sie im Vergleich zur Masse des Gegenstandes im Hinblick auf die Vorteile der Kosteneinsparung äußerst klein ist Das Verfahren besteht im wesentlichen aus Erhitzen und Kühlen. Das

Erhitzen besteht darin, einen Hochenergiestrahl zu konzentrieren und diesen Strahl gegen eine begrenzte Zone der Oberfläche des Gegenstandes bei bestimmter Abtastgeschwindigkeit und bestimmten Energiewert, gemessen an der Grenzfläche des Gegenstandes, zu richten, so daß das Metall in der Zone mit ausreichend rascher Geschwindigkeit geschmolzen wird, wobei der Rest des Gegenstandes vom Aufheizeffekt isoliert wird. Das Kühlen besteht darin, den Hochenergiestrahl aus der Zone zu entfernen, während die Masse des Gegenstandes mit Bezug auf die durch den Strahl beeinflußte Zone in bestimmte Verhältnis vorliegt, um eine selbstkühlende Kühlgeschwindigkeit herbeizuführen, die eine feinkörnige Struktur und eine supergesättigte Lösung kann entweder durch Diffundierung unabhängiger Legierungsbestandteile in diese Zone zur geregelten Verdünnung des Metalls oder durch Auswahl eines legierten Grundmetalls mit einem Minimalwert inhärenter Legierungsbestandteile für die Supersättigung gefördert werden.

Der bemerkenswerte Vorteil, der sich aufgrund der Durchführung des Verfahrens ergibt, besteht in der Fähigkeit, ein relativ wiertschaftliches leichtes Substratmaterial, wie beispielsweise Aluminium, anzuwenden, und in der Fähigkeit, die Steigerung der physikalischen Eigenschaften durch isolierte Verwendung von teuren Materialien auf kleine gewählte Oberfläehenzonen zu begrenzen, wodurch ein ausgezeichnetes Verhältnis von Kosten zu Leistung erzeugt wird.

Oberflächenlegierung

Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert eine legierte Oberflächenzone auf dem Gegenstand. Das Legieren der Oberfläche wird dadurch erreicht, daß die gewählte äußere Zone des Gegenstandes sowie ein vorher oder gleichzeitig in der Zone abgeschiedenes Legierungsmittel rasch geschmolzen werden. Das Legierungsmittel wird in das geschmolzene Grundmetall durch thermische Aktivität, die sich aus der Wirkung des Strahls ergibt, mit Turbulenz eingeführt. Nach raschem Entfernen des Hochenergiestrahls folgt ein Selbstabkühlvorgang, der eine Legierung aus feinkörniger fester Lösung unter Verteilung intermetallischer Verbindungen erzeugt. Die Schaffung dieses homogenen Oberflächenlegierungsbereiches ist neu, da man teilweise annahm, daß nicht-allotrope Metalle von derart hoher Wärmeleitfähigkeit als Ergebnis der Aussetzung an einen Hochenergiestrahl Festigkeit verlieren würden und andererseits annahm, daß die durch den Strahl beeinflußte Zone nicht angemessen begrenzt wäre, um Selbstabkühlung zu ermöglichen. Es wurde gefunden, daß die durch den Strahl beeinflußte Zone auf das Genaueste begrenzt, isoliert und geregelt werden kann, ohne Einbuße an notwendigem Aufheizen und Selbsiabschrecken.

Im folgenden wird genauer eine detaillierte bevorzugte Ausführungsform der Durchführung der Oberflächenlegierung unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 6 beschrieben.

1. Eine anfängliche vorbereitende Stufe des Verfahrens besteht darin, ein Grundmaterial auszuwählen, daß auf rasches Erhitzen durch einen Hochenergiestrahl anspricht, leicht zu schmelzen ist und in zufriedenstellender Weise zur Selbstabkühlung während des Kühlvorgangs Wärme thermisch leitet. Der Ausdruck »Selbstabkühlung« bedeutet die Abkühlung aufgrund des Wärmeabfalls des behandelten Materials. Obgleich, wie im Anspruch angegeben, eine weite Vielzahl von Metallen verwendet werden kann, wird die Ausführungsform hier vorzugsweise mit einem Grundmaterial durchgeführt, das im wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung besteht. Das Grundmaterial soll eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1,047 W/cm · "C aufweisen. Andere nicht-allotrope Metalle, wie hier definiert, und die eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen, umfassen: Magnesium, Kupfer und Zink.

2. Das bevorzugte Grundmetall wird durch die Auswahl und Anwendung von Legierungsbestandteilen, weiche eine Affinität zur Bildung fester Lösungen und intermetallischer Verbindungen mit dem Grundmetall aufweisen, oberflächenlegiert. Für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung kann der Bestandteil aus der Gruppe von Kupfer, Nickel, Wolfram, Molybdän, Zirkonium, Vanadium, Magnesium, Zink, Chrom, Kobalt, Mangan und Titan ausgewählt werden. Zwei oder mehrere dieser Bestandteile können zusammengegeben werden. Kupfer ist einer der wirksamsten Legierungsbestandteile zur Härtung von Aluminiumlegierungen. Nickel fördert die Beständigkeit des Aluminiums gegen Erweichung bei erhöhten Temperaturen im legierten Zustand. Silicium ist, obgleich es keine intermetallische Verbindung bildet, brauchbar in einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Kerns mit niedrigem Siliciumgehalt mit abnutzungsbeständiger Oberfläche von hohem Siliciumgehalt, die unabhängige Abnutzungsteilchen aufweist. Graphit ist, obgleich er keine intermetallische Verbindung bildet, brauchbar als ein festes Hochtemperaturgleitmittel im legierten Oberflächenbereich. Zu Legierungsbestandteilen für Magnesium gehören Zink, Seltene Erden, Zirkonium, Mangan und Aluminium. Legierungsbestandteile für Kupfer können Blei, Zink, Aluminium, Zinn, Eisen, Nickel, Silicium, Mangan, Beryllium, Zirkonium und Chrom sein.

3. Die nächste Stufe besteht darin, Legierungsbestandteile zu verbinden, abzuscheiden oder dem Strahl angrenzend an die gewählte Zone des Grundmetalls zu unterwerfen. Ein Weg, dieses zu erreichen, besteht darin, eine Legierungsschicht 10 auf dem Grundmetall 11 durch einen geeigneten Mechanismus 12 (siehe Fig. 1), der hier Plasmastromsprühen von gepulvertem Legierungsmetall umfaßt, abzuscheiden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in der Anwendung eines Drahts, der aus den Legierungsbestandteilen besteht und der Zuführung dieses Drahts in den Strahl (siehe Fig.6). Ein anderer Weg besteht darin, Harz mit den gepulverten Bestandteilen zu vermischen und dieses Gemisch in der Bahn des Strahls abzuscheiden. Aufstreichen kann auch angewendet werden, solang die Bestandteile so verbunden werden, daß sie durch den Strahl beeinflußt werden. Die durch die Plasmatechnik aufzusprühenden Legierungsbestandteile können aus einem Gemisch von Metallpulvern bestehen oder können als unabhängige Schichten aufgebracht werden. Die gemischten Pulver werden in typischer Weise einer sehr hohen Temperatur und einer Strahl- oder Düsengeschwindigkeit unterworfen, jedoch sind beide Bedingungen für die Erfindung nicht kritisch.

Die Tiefe der Legierungsschicht sollte so geregelt sein, daß eine bestimmte Legierungskonzentration der geschmolzenen Zone des Grundmetalls erreicht wird. Die Legierungsbestandteile (unabhängig davon, ob sie zugegeben wurden oder in der Grundmetallegierung inhärent vorliegen) sollten die geschmolzene Grundmetallzone anreichern, um wenigstens eine gesättigte feste Lösung nach dem Wiederschmelzen zu bilden. Im allgemeinen wird die Oberflächenlegierung vorwiegend

auf die Steigerung einer von drei physikalischen Eigenschaften (Abnutzungsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit oder Korrosionsbeständigkeit) gerichtet, je nach der Anwendung und dem Gebrauch des behandelten Gegenstandes. Um optimale Abnutzungsbeständigkeit in der behandelten Zone des Gegenstandes zu ergeben, sollten die Legierungsbestandteile zu dem geschmolzenen Grundmetall in der Zone in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 bis 1 :20 zugegeben werden. Dies kann grob geschätzt werden, indem eine Legierungsschichtdicke, die gleich oder bis hinab zu 'Λο der Dicke des geschmolzenen Grundmetalls ist, aufgebracht wird. Dieser Bereich von Verhältnissen gewährleistet die Erzeugung intermetallischer Verbindungen in der geschmolzenen Zone nach der Verfestigung, wobei die Verbindungen den Hauptmechanismus der Erfindung zur Härtung nicht-allotroper Grundmetalle über ein Wiederschmelzen mittels Strahl hoher Energie darstellen.

Zur Herbeiführung optimaler Dauerfestigkeit in der gewählten oberflächenbehandelten Zone sollte das Verhältnis im Bereich von 1 :10 bis 1 :20 liegen, um die Vermeidung intermetallischer Verbindungen sicherzustellen, während die Härtung durch Ausscheidung gefördert wird.

Zur Herbeiführung einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit in der gewählten oberflächenbehandelten Zone sollte das Verhältnis nicht weniger als 2 :1 betragen. Es kann bevorzugt sein, praktisch reines Aluminium für den Legierungsbestandteil zu verwenden, wenn das Grundmetall eine Aluminiumlegierung, wie beispielsweise 390 oder 355 ist. Reineres Aluminium besitzt eine größere Korrosionsbeständigkeit als Aluminiumlegierungen.

Eine typische Vorrichtung zur Durchführung der Plasmaabscheidung ist in F i g. 11 gezeigt. Die Anordnung verwendet eine Plasmapistole bzw. ein Plasmastrahlsystem 15, das eine Gasbogenkammer 16 mit einer Auslaßverengung aufweist, die einen geraden Bohrungsabschnitt 17 und einen divergierenden Abschnitt 18 besitzt Die Gaszufuhr 31 wird im linken Teil der Gaskammer 16 eingeführt, und ein Lichtbogen wird über die Kammer mittels einer Energiezufuhr 19 erzeugt. Die metallischen und feuerfesten Pulver werden in die Pistole aus einer Pulverzuführvorrichtung 20 zugeführt und zu einem Vorerhitzungsrohr gebracht, das durch eine Pulvervorerhitzungszufuhr 22 betrieben wird, das Pulver wird dann zu einer genauen Stelle in der Auslaßverengung mittels eines Durchgangs 23 gebracht, der etwas angewinkelt ist (bei 24 mit Bezug auf eine Mittellinie des Durchgangs) und tritt in die Auslaßverengung genau an der Verbindung des Abschnitts mit gerader Bohrung und des divergierenden Abschnitts ein. Der Strom 13 aus der Plasmapistole wird auf den zu überziehenden Gegenstand 26 gerichtet Der zu überziehende Gegenstand wird von einem bewegbaren Träger 27 getragen, so daß die Abscheidung der Pulver über einen breiten gewählten Bereich bzw. ein breites gewähltes Muster ermöglicht wird. Der Gegenstand 26 wird bei einem spezifischen elektrischen Potential gehalten, so daß Plasmasprühteilchen aufgenommen werden. Das gesamte Werkstück sowie der Plasmastrahl sind in eine Kammer eingeschlossen, die durch eine Vakuumpumpe 30 evakuiert ist

4. Wie in F i g. 2 gezeigt, besteht die nächste Stufe im Schmelzen, indem ein Hochenergiestrahl erzeugt gerichtet und bewegt wird. Ein Hochenergiestrahl ist hier so definiert, daß er eine Säule von Strahlungsenergie (unabhängig von der Quelle) mit einer mittleren Energiedichte von über 10 000 W/cm² an der Grenzfläche mit dem zu behandelnden Metall bedeutet. Diese Stufe besteht in der Erzeugung eines energiereichen

■> Strahls 32 von ausreichender Energie, der Richtung des Strahl auf eine gewählte ausgesetzte Zone 33 des Gegenstandes und der Bewegung des Hochenergiestrahls 32 längs einer vorbestimmten Bahn und bei einer spezifischen Geschwindigkeit, so daß nicht nur die

ίο gewählte Zone des Kontakts zwischen dem Strahl und der Legierungsschicht 10, sondern auch ein bestimmter Teil 34 des darunter angrenzenden Teils des Grundmetalls 11 schmilzt. Der Strahl beeinflußt zwei Zonen, wobei die erste ohne Schmelzen erwärmt wird und eine zweite Zone innerhalb der ersten geschmolzen wird. Laserstrahlen werden anfänglich durch die Reflektionskraft aus dem Eintritt in eine bloße Aluminiumfläche etwas verzögert, diese Verzögerung wird

a) durch Bildung eines geschmolzenen Hohlraums, wenn die Wärme die Oberfläche zerbricht und dadurch eine Konzentrierung der Strahlen ermöglicht und

b) durch die Anwendung eines Pulverlegierungsüberzugs verringert. Die Laserstrahlen treten in den Gegenstand an der Grenzfläche mit hoher Energie ein, jedoch geht bei einem defokussierten Strahl wenigstens ein Teil der Intensität durch Reflektion, Diffusion und Refraktion innerhalb des Gegenstandes verloren. Jedoch begünstigt dies die Kontrolle einer oberflächlichen durch den Strahl beeinflußten Zone.

Die Aufheizgeschwindigkeit des Grundmetalls muß relativ rasch sein, so daß

a) Turbulenz in dem Punktschmelzbad erzeugt wird und

b) die Entfernung des Strahls hoher Energie rasches Abschrecken bzw. Abkühlen fördert.

Die Absorptionseigenschaften des Grundmetalls müssen geregelt werden, um den Eintritt der Strahlstrahlen in das Grundmetall zu unterstützen und dadurch eine rasche Aufheizgeschwindigkeit zu fördern. Dies erfordert die Verwendung eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Es wurde durch experimentelle Untersuchungen gefunden, daß zum Schmelzen der abgeschiedenen Legierungsschicht 10 (bestehend aus Silicium, Kupfer, Nickel und Kohlenstoff) mit einer Dicke von 0,15 mm (35) und zum Schmelzen des darunter angrenzenden Grundmetaiis 11 auf eine Tiefe von 0,63 mm (36) die dem Gegenstand an seiner Oberfläche 37 erteilte Energie etwa 70 000 Watt/cm² bei einem Strahlfleckdurchmesser an der Grenzfläcne von 2,0 mm betragen muß. Dies kann durch Verwendung eines Laserstrahls erreicht werden, der durch eine Vorrichtung 38 erzeugt wird. Die Definition eines geeigneten Laserstrahls hoher Energie zur Durchführung der Oberflächenlegierung ist kritisch. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Strahls muß ein Energieausmaß von wenigstens 1 bis 6 KW aufweisen, um ein rasches Erhitzen und Schmelzen bei einer betriebsmäßigen Abtastgeschwindigkeit von 0,032 cmVsec zu erreichen. Bei Energiewerten unter 1 KW kann die Strahlgeschwindigkeit betriebsfähig nur 0,25 mm/min betragen, jedoch ist diese Geschwindigkeit technisch unzweckmäßig. Der Strahl 32 sollte auf einen Punkt 40 fokussiert sein, der in einem Abstand 41 von der Ebene der äußeren Oberfläche 37 des Gegenstandes (entweder oberhalb oder unterhalb) angeordnet ist; somit wird der Strahl mit Bezug auf die Grenzfläche mit der äußeren

Oberfläche des Gegenstandes defokussiert und hai einen Durchmesser 39 an dieser Grenzfläche, der praktisch zwischen 0,25 bis 12,7 mm variieren kann.

Es ist wichtig, das Zusammenspiel des Energiewertes des Hochenergiestrahls der Abtastgeschwindigkeit oder relativen Bewegung des Strahls über die Oberfläche 37 des Gegenstandes und der Fleckengröße des Strahls an der Grenzfläche zu regeln. Darüber hinaus bedeutet der nachfolgend verwendete Ausdruck »regeln« das Aufeinenderabstimmen des Strahlgrenzflächenbereichs, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlenenergiewertes zur Erzielung einer gewünschten Schmelzgeschwindigkeit und Kühlgeschwindigkeit für die durch den Strahl beeinflußte Zone. Der Energiewert an der Grenzfläche muß wenigstens 10 000 Watt/cm² betragen; die Fleckengröße an der Grenzfläche kann von 0,0052 cm² bis 0,32 cm² oder mehr variieren. Die lineare Geschwindigkeit sollte im Bereich von 25 bis 254 cm/min liegen. Richtige Regelung dieser Parameter führt zur erfolgreichen Temperaturverteilung in dem Grundmetall und zu erfolgreicher Oberflächenlegierung mittels Laser.

Die erhaltene legierte Einsatztiefe 42 aus einem einzelnen Durchgang ist grundlegend proportional zum verwendeten Energiewert bei einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit. Die genauen Werte der Einergiehöhen in bezug auf die Abtastgeschwindigkeit für das spezielle Oberflächenlegierungsmaterial oder die Aufbringung hängt von dem Legierungsüberzug, dem Grundmelall und der gewünschten legierten Einsatztiefe ab. Die erhaltene Tiefe 42 des legierten Einsatzes oder der durch den Strahl beeinflußten Zone ist in F i g. 3 wiedergegeben. Die Zone für einen einzelnen Durchgang ist im Querschnitt durch eine halbkugelförmige gefüllte Höhlung 43 mit einer festen Lösung aus legiertem Metall, das intermetallische Verbindungen enthält, dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die obere Oberfläche 44 der sich ergebenden legierten Zone höher ist, als die ursprüngliche Oberfläche des Gegenstandes.

F i g. 4 erläutert die Kontur des einzelnen Durchganges entlang seiner Länge. Eine vollständige Oberfläche des Gegenstandes kann mit einem legierten Einsatz versehen werden, indem

1. mehrere Durchgänge eines defokussierten Strahls vorgenommen werden und

2. die Beeinflussungszone jedes Durchgangs überlappt wird, so daß die durch den Strahl beeinflußte Zone 45 als eine Anzahl sich überlappender Rippen 46 bis 47, wie in F i g. 5 gezeigt, in Erscheinung tritt

Der Abstand und der Grad der Überlappung der Rippen kann variiert werden, um eine Mindestzonentiefe 48 herzustellen. Es ist ganz gut möglich, daß die Durchgänge durch einen breiten Abstand getrennt sind, so daß lediglich ein Muster aus legierten Rippen oder Stegen auf dem Gegenstand auftritt, wobei derartige Legierungsstege die notwendige Abr.utzungsbeständigkeit für die gesamte Oberfläche liefern ivönnen. Ferner kann die durch den Strahl beeinflußte Zone einem an der Grenzfläche fokussierten Strahl unterworfen und pulsiert werden, um den Energiewert im Verhältnis mit dem Schmelzen zu halten.

Die bevorzugte Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls ist in F i g. 7 wiedergegeben und umfaßt einen geschlossenen (XVGasstromkreislauf 61, wobei das Gas rasch durch ein Gebläse 62 bewegt wird und die Abführung von Wärme durch einen Austauscher 63 erfolgt Die Laserentladung findet axial längs des Strömungswegs zwischen den Elektroden 64 und 65 statt. Die Laserstrahlentladung wird in dieser axialen Strömungsrichtung durch den Gesamtübertragungsspiegel 66 gerichtet und aus dem Lasererzeugungsgehäuse durch den Teilübertragungsspiegel 67 emittiert.

In F i g. 8 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls aus Gas mit einei Strömung 68 quer zu der elektrischen Entladung zwischen den Elektroden 69 und 70 wiedergegeben. Der Spiegel 71 überträgt den Strahl wiederum partiell.

In Fig. 9 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Lasers durch einen Elektronenstrahl 72 wiedergegeben; Unterhaltungselektroden 73 und 74 sind in einem hohen Vakuum im Abstand voneinander angeordnet; die Elektronenemittiervorrichtung 75 sendet Elektronen durch Membrane 76 zu den Elektroden. Die Spiegel 77 und 78 wirken zusammen, um die Laser zu sammeln und sie durch den partiell übertragenden Spiegel 78 zu emittieren.

In F i g. 10 ist eine Vorrichtung zur Weiterleitung des Laserstrahls 79 aus der Lasererzeugungsvorrichtung 80 zu dem zu behandelnden Gegenstand 81 wiedergegeben. Der Strahl wird durch einen Spiegel 82 gedreht und durch eine Linse 83 mit einem bei 84 darin eingeführten Hilfsgas gesammelt. Die Strahlöffnung 85 regelt die Strahlfleckengröße an der Grenzfläche des Gegenstandes.

Die Laseroberflächenlegierung eignet sich insbesondere bei solchen Anwendungen des Standes der Technik, wo

a) die Oberfläche eines Gegenstandes eine spezielle Legierungszusammensetzung zur Abnutzung-, Korrosions- oder Wärmebeständigkeit erfordert,

b) ein irreguläres Muster auf der Oberfläche eine spezielle Legierungszusammensetzung erfordert,

c) der erforderliche Legierungsgehalt nicht ökonomisch im Guß- oder Knetzustand erzeugt werden kann,

d) verschiedene Zusammensetzungen an verschiedenen Stellen der Oberfläche eines Gegenstandes notwendig sind,

e) eine metallurgische Bindung zwischen der speziellen Oberflächenschicht und dem Grundmaterial erwünscht ist,

f) die wärmebeeinflußte Zone in dem Grundmaterial auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden sollte,

g) die Oberflächenlegierung bei einer minimalen Wärmezufuhr erreicht werden muß, um Deformierung und Schädigung einer angrenzenden Komponente durch übermäßige Wärme herabzusetzen und

h) der gehärtete Einsatz eine hohe Härte selbst bei einer erhöhten Temperatur aufweisen muß.

Noch eine andere Vorrichtung, die zur Erzeugung eines Strahls hoher Ernergie gemäß der Erfindung geeignet ist, ist in Fig. 12 wiedergegeben. Die Vorrichtung stellt eine Elektronenschleuder dar, welche einen Strahl 86 aus Elektronen, die von einem erhitzten Faden oder einer indirekt erhitzten Kathode 87 ausgehen, aussendet Die Kontrollelektrode 88 reguliert Strahlstrom und Spannung der Anode 89 und damit die Geschwindigkeit der Elektronen in dem Strahl. Das Produkt von Anodenspannung und Strahlstrom ist die Strahlenergie. Die Fokussierspule 90 regelt die Strahlfleckengröße unabhängig, so daß die Strahlfleckengröße je nach Wunsch für verschiedene Spannungs- und Abstandswerte eingestellt werden kann. Die Ablenkspulen 9t bewegen den Strahl von seiner neutralen Achsstellung weg, um den Strahl auf irgendeinen Punkt

auf den Gegenstand 92 zu ricüten. Vier Spulen sind gewöhnlich erforderlich, um den Strahl sowohl in der X-als auch in der V-Äichtung in der Ebene des Gegenstandes abzulenken. Der Gegenstand und die Schleuder teilen im wesentlichen die gleiche Vakuumkammer 93.

5. Schließlich muß der Einfluß des Strahls von einer ι ichtig geschmolzenen Zone des Gegenstandes bei einer ausreichend raschen Geschwindigkeit entfernt werden, die Masse des Gegenstandes muß im Hinblick auf das Volumen der geschmolzenen Schmelzzone im geeigne-

ten Verhältnis vorliegen, und das Metall des Gegenstandes muß mit einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit ausgewählt worden sein, um rasche Selbstabkühlung zu erreichen und dadurch, wenn gewünscht, die Bildung kleiner Teilchen intermetallischer Verbindungen oder gegebenenfalls einer gesättigten festen Lösung zu bilden. In fast sämtlichen Fällen, wo der Gegenstand ein Gußstück ist und die durch den Strahl beeinflußte Zone 3,2 mm oder weniger ausmacht, liegt die Masse im richtigen Verhältnis vor.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberfläche von Gegenständen aus nicht-allotropen metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche von Gegenständen aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Zink und solchen Aluminiumlegierungen, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 1,047 W/ cm · ⁰C beträgt und deren Härte unter einem Wert von HRc25 liegt, mit einem Hochenergiestrahl, der eine Leistungsdichte auf der Oberfläche von mindestens 10 000 Watt/cm² bewirkt, in den ausgewählten Bereichen aufgeschmolzen wird, und daß ein Legierungsmetall, das intermetallische Verbindungen mit dem Werkstoff des Gegenstands bildet, in die Schmelzzone eingeführt wird, wobei die Schmelztiefe und die Erwärmung der Umgebung durch die Leistungsdichte und die Verweildauer des Strahls so geregelt werden, daß sowohl eine hinreichende Legierungstiefe als auch eine hinreichend kurze Abkühldauer erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschmelztiefe höchstens ein Sechstel der Dicke des Metallgegenstands beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der geschmolzenen Zone das Verhältnis Legierungsmetall zu aufgeschmolzenem Werkstoff des Gegenstands zwischen 1 :1 und 1 :20 beträgt

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium in die Schmelzzone auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung, die weniger als 5% Legierungsbestandteile enthält, in einem Verhältnis Aluminiumzusatz zu aufgeschmolzener Aluminiumlegierung von 2 :1 zugefügt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß reflektierende Oberflächen vor der Bestrahlung mit einem Material zur Absorption der Strahlenenergie überzogen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswählen der aufzuschmelzenden Flächenbereiche der absorptionsfähige Überzug in einem entsprechenden Muster auf dem Gegenstand aufgebracht wird.

7. Verfahi en nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall vor der Bestrahlung als Draht in einen Plasmastrom eingeführt und auf der Oberfläche des Gegenstands abgeschieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall als Pulver im Hochenergiestrahl der Oberfläche zugeführt oder zuvor mit Harz vermischt auf diese aufgebürstet wird.