WO1996033837A1 - Verfahren zur oberflächenvorbereitung eines werkstückes mit einem metallischen trägermaterial und werkstück mit einem metallischen trägermaterial - Google Patents

Verfahren zur oberflächenvorbereitung eines werkstückes mit einem metallischen trägermaterial und werkstück mit einem metallischen trägermaterial Download PDF

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/08—Removing material, e.g. by cutting, by hole drilling
    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Definitions

  • the invention relates to a method for surface preparation of a workpiece with a metallic carrier material according to the preamble of patent claim 1 and a workpiece with a metallic carrier material according to the preamble of patent claim 9.
  • DD-A-242 638 discloses such a method for improving the adhesive strength of metal sprayed layers, in which the component surface is cleaned by melting using a continuous or pulsating laser beam with a specific power density or by controlled thermal exposure.
  • the energy beam is intended to roughen and activate the area near the surface before thermal coating with metal or ceramic.
  • the laser beam is guided in such a way that the traces of melting just touch each other, as a result of which the affected surface area is homogenized.
  • the alignment of the tracks and the speed of movement of a pulsating laser beam are selected in such a way that the zones of influence overlap.
  • the energizing impulses cause contaminants to evaporate or explode and activate the surface.
  • the present invention has for its object to provide a method of the aforementioned type, which allows the surface of the carrier material of a workpiece to be pretreated in such a way that a substrate is formed with an even adhesive strength for a metal or ceramic layer to be sprayed on, which is also possible with a high level Stress on the workpiece shows no cracks or other signs of detachment in the sprayed-on layer.
  • this object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a workpiece having the features of claim 5.
  • the invention has the great advantage that an improved mechanical connection or clamping of the sprayed-on metal or ceramic layer with the surface of the metallic carrier material is produced.
  • the process is considerably less expensive than the conventional roughening processes, such as sandblasting, since there is no need for subsequent cleaning.
  • the throughput times in the case of the invention are also Processes significantly lower, which is why it is more economical.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a treatment process for surface preparation for the subsequent metal or ceramic coating
  • Fig. 2 cross sections through a part of a workpiece with different types of recesses, the carrier material surface has been prepared with the treatment method explained with reference to FIG. 1.
  • a workpiece 1 here a metallic circular cylindrical hollow body, with its surface 2 and small recesses 3 located therein.
  • the hollow body 1 is rotatably supported in a known manner about an axis of rotation 5.
  • a schematically indicated laser cannon 7 with a mirror 8 is shown to the side of the hollow body 1, with which a laser beam 9 is directed onto the workpiece 1, here the circular cylindrical hollow body.
  • the mirror 8 is mounted in a manner known to those skilled in the art by means of servomotors so that it can rotate in all directions.
  • the depressions 3 are worked into the surface 2 in a predetermined pattern or grid indicated by the arrow 11.
  • the geometric shape of the recesses 3 is the performance control of the laser beam 9 and achieved by the continuous and targeted deflection of the laser beam 9 with the mirror 8 in the desired manner.
  • suitable control of the laser beam 9 almost any geometrical shape of the depressions 3 can thus be obtained in a predetermined pattern or grid.
  • the depressions 3 can be provided on the surface 2 in any pattern, a regular grid is preferred, however, which is formed by the nodes of sets of parallel straight lines which are perpendicular or at an oblique angle to one another.
  • FIG. 2 shows various examples of the depressions 3 produced by means of the laser beam 9 in a cross section through part of a workpiece 1.
  • the metallic carrier material 13 of the workpiece 1 is shown below, on which a metal or ceramic layer 14 applied in the plasma spraying process is anchored.
  • FIG. 2a shows a recess 3 which is frustoconical. The geometric shape shown is achieved in that the mirror 8 is brought to a certain distance from the workpiece 1 and the laser beam 9 is deflected in a predetermined angular range. The aforementioned distance is formed from the apex of a cone through the truncated cone-shaped recess 3. The depth of the recess 3 is in the range from 10 to 100 ⁇ m, in particular between 2 to 10 ⁇ m.
  • the width of the recess 3 is also of the same order of magnitude.
  • the circular-cylindrical depression in FIG. 2b is obtained in that the mirror 8 is continuously shifted in directions perpendicular to the normal to the flat surface of the carrier material 13 while the power density of the laser beam 9 remains the same.
  • the depression 3 in FIG Laser beam 9 reached with such a shift.
  • the depressions 3 shown in FIGS. 2a to 2c are all rotationally symmetrical. This means that the depressions 3 all have a circular cross section. However, it goes without saying that other types of depressions 3 can also be provided, for example with a square or triangular shape in cross section. However, the rotationally symmetrical shape is preferred.
  • the targeted and defined shape of the depressions 3 results in an improved mechanical clamping of the carrier material 13 with the sprayed-on metal or ceramic layer 14.
  • the adhesion of this layer 14 is significantly improved by this measure.
  • the geometric dimensions of the depressions 3 can largely be adapted to the requirements of the required adhesion of the coating material. Subsequent cleaning, as with the mechanical roughening process, such as. such as sandblasting, is completely eliminated.
  • the method described above can also be carried out with an electron beam, which is directed onto the workpiece by electromagnetic means in a manner known to those skilled in the art.
  • the method described is particularly suitable for the production of cylinder liners for internal combustion engines, the depressions 3 preferably being incorporated after a dot matrix 11, as indicated purely schematically in FIG. 1.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenvorbereitung eines Werkstückes (1) mit einem metallischen Trägermaterial beschrieben, bei welchem mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls Vertiefungen (3) mit einer vorbestimmten geometrischen Form in die Oberfläche eingearbeitet werden.

Description

Verfahren zur Oberflächenvorbereitung eines Werkstückes mit einem metallischen Trägermaterial und Werkstück mit einem metallischen Trägermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenvorbereitung eines Werkstückes mit einem metallischen Trägermaterial nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Werkstück mit einem metallischen Trägermaterial nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Aus DD-A-242 638 ist ein solches Verfahren zur Haftfestigkeitsverbesserung von Metallspritzschichten bekannt, bei welchem die Bauteiloberfläche durch Aufschmelzen mittels eines kontinuierlichen oder pulsierenden Laserstrahles mit einer bestimmten Leistungsdichte oder durch eine gesteuerte thermische Beaufschlagung eine Säuberung erfährt. Mit dem Energiestrahl soll eine Aufrauhung und Aktivierung des oberflächennahen Bereiches erreicht werden vor der thermischen Beschichtung mit Metall oder Keramik. In einem ersten Beispiel wird der Laserstrahl so geführt, dass sich die Schmelzspuren gerade berühren, wodurch das beeinflusste Oberflächengebiet homogenisiert wird. In einem weiteren Beispiel wird die Spuranreihung und die Bewegungsgeschwindigkeit eines pulsierenden Laserstrahls so gewählt, dass sich eine Überlappung der Einflusszonen einstellt. Die beaufschlagenden Energieimpulse bewirken ein Abdampfen oder Wegsprengen von Verunreinigungen und eine Aktivierung der Oberfläche. Da Kerben, Rillen oder auch ungünstige Biegebeanspruchungen zu vermeiden sind, erfolgt ein leichtes partielles Aufschmelzen, so dass eine reine Oberfläche erhalten wird. Das obenerwähnte Verfahren ist für zu regenerierende Bauteile vorgesehen und erzielt ein oberflächliches Aufschmelzen des metallischen verschlissenen Bauteiles, um anhaftende Schichten zu beseitigen, indem diese Schichten in der Schmelze mit dem Grundmaterial vermischt oder bei einer höheren Leistungsdichte verdampft werden. Es wird daher mit diesem Verfahren eine leicht unebene Struktur der Oberfläche erhalten, jedoch eine eigentliche Aufrauhung wie es bei den mechanischen Aufrauhverfahren wie Strahlen, Drehen und dergleichen findet hier nicht statt.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorgenannten Art zu schaffen, das die Oberfläche des Trägermaterials eines Werkstückes derart vorbehandeln lässt, dass ein Untergrund mit einer gleich ässigen Haftfestigkeit für eine aufzuspritzende Metall- oder Keramikschicht gebildet wird, der auch bei hoher Beanspruchung des Werkstücks keine Risse oder sonstige Ablösungserscheinungen in der aufgespritzten Schicht zeigt.
Diese Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Werkstück mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
Die Erfindung hat den grossen Vorteil, dass eine verbesserte mechanische Verbindung oder Verklammerung der aufgespritzten Metall- oder Keramikschicht mit der Oberfläche des metallischen Trägermaterials entsteht. Ferner ist das Verfahren im Vergleich zu den herkömmlichen Aufrauhverfahren, wie Sandstrahlen, wesentlich kostengünstiger, da eine nachträgliche Reinigung entfällt. Auch sind die Durchlaufzeiten bei dem erfindungsgemässen Verfahren wesentlich geringer, weshalb eine höhere Wirtschaftlichkeit gegeben ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Dort wird die Erfindung anhand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten Beispieles näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Behandlungsverfahrens zur Oberflächenvorbereitung für die anschliessende Metall- oder Keramikbeschichtung, und
Fig. 2 Querschnitte durch einen Teil eines Werkstückes mit verschiedenen Arten von Vertiefungen, dessen Trägermaterialoberfläche mit dem anhand der Fig. 1 erklärten Behandlungsverfahren vorbereitet worden ist.
In Figur 1 ist ein Werkstück 1 , hier ein metallischer kreiszylindrischer Hohlkörper, mit seiner Oberfläche 2 und darin befindlichen kleinen Vertiefungen 3 gezeigt. Der Hohlkörper 1 ist in bekannter Weise drehbar um eine Drehachse 5 gelagert. Seitlich zum Hohlkörper 1 ist eine schematisch angedeutete Laserkanone 7 mit einem Spiegel 8 dargestellt, mit welchen ein Laserstrahl 9 auf das Werkstück 1 , hier den kreiszylindrischen Hohlkörper, gerichtet wird. Der Spiegel 8 ist in für den Fachmann bekannter Art mittels Stellmotoren in allen Richtungen drehbar gelagert. Durch gezielte Steuerung des Laserstrahls 9 und Drehung des Werkstückes 1 werden die Vertiefungen 3 in einem vorbestimmten mit dem Pfeil 11 angedeuteten Muster oder Raster auf die Oberfläche 2 verteilt eingearbeitet. Die geometrische Form der Vertiefungen 3 wird durch die leistungs ässige Steuerung des Laserstrahls 9 und durch die kontinuierliche und gezielte Ablenkung des Laserstrahls 9 mit dem Spiegel 8 in der gewünschten Weise erreicht. Durch geeignete Steuerung des Laserstrahls 9 kann somit fast jede beliebige geometrische Form der Vertiefungen 3 in einem vorgegebenen Muster oder Raster erhalten werden. Obwohl die Vertiefungen 3 nach einem beliebigen Muster auf der Oberfläche 2 vorgesehen sein können, wird jedoch ein regelmässiges Raster bevorzugt, das von den Knotenpunkten von rechtwinklig oder schiefwinklig zueinander stehenden Scharen von parallelen Geraden gebildet ist.
In Figur 2 sind nun verschiedene Beispiele für die mittels des Laserstrahls 9 erzeugten Vertiefungen 3 in einem Querschnitt durch einen Teil eines Werkstückes 1 gezeigt. Unten ist das metallische Trägermaterial 13 des Werkstückes 1 dargestellt, auf welchem eine im Plasmaspritzverfahren aufgebrachte Metall- oder Keramikschicht 14 verankert ist. In Figur 2a ist eine Vertiefung 3 zu sehen, die kegelstumpfför ig ausgebildet ist. Die gezeigte geometrische Form wird dadurch erreicht, dass der Spiegel 8 auf einen bestimmten Abstand zum Werkstück 1 gebracht wird und der Laserstrahl 9 in einem vorgegebenen Winkelbereich ausgelenkt wird. Der vorgenannte Abstand wird dabei vom Scheitelpunkt eines durch die kegeistumpfförmige Vertiefung 3 gedachten Kegels gebildet. Die Tiefe der Vertiefung 3 liegt im Bereich von 10 bis 100 um, insbesondere zwischen 2 bis 10 um. Die Breite der Vertiefung 3 ist ebenfalls in derselben Grössenordnung. Die kreiszylindrische Vertiefung der Figur 2b wird dadurch erhalten, dass der Spiegel 8 kontinuierlich in Richtungen rechtwinklig zur Senkrechten zur ebenen Oberfläche des Trägermaterials 13 bei gleichbleibender Leistungsdichte des Laserstrahls 9 verschoben wird. Die Vertiefung 3 der Figur 2c wird hingegen durch eine leistungsabhängige Steuerung des Laserstrahls 9 bei einer solchen Verschiebung erreicht. Die in den Figuren 2a bis 2c dargestellten Vertiefungen 3 sind alle rotationssymmetrisch. Dies bedeutet, dass die Vertiefungen 3 alle einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Arten von Vertiefungen 3 vorgesehen werden können, wie beispielsweise mit einer im Querschnitt quadratischen oder einer dreieckige Form. Die rotationssymmetrische Form wird jedoch bevorzugt.
Durch die gezielte und definierte Form der Vertiefungen 3 ergibt sich eine verbesserte mechanische Verklammerung des Trägermaterials 13 mit der aufgespritzten Metall- oder Keramikschicht 14. Die Haftung dieser Schicht 14 wird durch diese Massnahme wesentlich verbessert. Die geometrischen Abmessungen der Vertiefungen 3 können weitgehend den Anforderungen der erforderlichen Haftung des Beschichtungswerkstoffes angepasst werden. Auch eine nachträgliche Reinigung, wie bei den mechanischen Aufrauhverfahren, wie . etwa Sandstrahlen, entfällt vollständig.
Das oben beschriebene Verfahren lässt sich ebenfalls mit einem Elektronenstrahl durchführen, der in für den Fachmann bekannter Weise mit elektromagnetischen Mitteln auf das Werkstück ausgerichtet wird.
Das beschriebene Verfahren ist besonders geeignet für die Herstellung von Zylinderbüchsen für Verbrennungsmotoren, wobei vorzugsweise die Vertiefungen 3 nach einem Punktraster 11 eingearbeitet werden, wie in Figur 1 rein schematisch angedeutet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oberflächenvorbereitung eines Werkstückes (1) mit einem metallischen Trägermaterial (13) mittels hochenergetischer Bestrahlung für die anschliessende Metall- oder Keramikbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des Trägermaterials (13) mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls (9) Vertiefungen (3) mit einer vorbestimmten geometrischen Form eingearbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) nach einem vorbestimmten Muster oder Raster (11) über die Oberfläche des Trägermaterials (13) verteilt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) mit einer Tiefe von 10 bis 100 um in die Oberfläche des Trägermaterials (13) eingearbeitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) zylindrisch, kegelförmig oder kegelstumpfförmig in die Oberfläche des Trägermaterials (13) eingearbeitet werden.
5. Werkstück (1) mit einem metallischen Trägermaterial (13), dessen Oberfläche zur Metall- oder Keramikbeschichtung eine unebene Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die unebene Struktur durch Vertiefungen (3) mit einer vorbestimmten geometrischen Form gebildet ist.
6. Werkstück nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) nach einem vorbestimmten Muster oder Raster (11) über die Oberfläche des Trägermaterials (13) verteilt sind.
7. Werkstück nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) eine Tiefe von 10 bis 100 μm, gemessen von der Oberfläche, aufweisen.
8. Werkstück nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) zylindrisch, kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Zylinderbüchsen für Verbrennungsmotoren mit nach einem Punktraster (11) eingelassenen Vertiefungen.
PCT/CH1996/000131 1995-04-25 1996-04-12 Verfahren zur oberflächenvorbereitung eines werkstückes mit einem metallischen trägermaterial und werkstück mit einem metallischen trägermaterial WO1996033837A1 (de)

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