DD247165A1

DD247165A1 - PROCESS FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC WORKSTUFFS BY MEANS OF ENERGY CARRYING BEAM

Info

Publication number: DD247165A1
Application number: DD28838586A
Authority: DD
Inventors: Steffen Keitel; Goetz Sobisch; Karl-Otto Prietzel
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1987-07-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflaechenbehandlung metallischer Werkstuecke mittels Energietraegerstrahl, insbesondere zum Beeinflussen von aufgetragenen Legierungsschichten. Ziel ist, Schutzschichten mit einer hohen Qualitaet zu schaffen. Aufgabenmaessig ist bei der Oberflaechenbehandlung der Energietraegerstrahl so zu fuehren, dass die Materialeigenschaften der Legierungsschicht gezielt beeinflusst werden koennen und in einer nachfolgenden Behandlungsphase eine weitere Beeinflussung der Zusammensetzung der Legierungsschicht verhindert wird. Erfindungsgemaess werden zunaechst auf einer Werkstueckoberflaeche karbidbildende Legierungselemente deponiert, die nachfolgend in einer ersten Umschmelzstufe mit Hilfe eines Energietraegerstrahles mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 100 kV mit dem Grundwerkstoff vermischt werden, derart, dass zunaechst eine vollstaendig metallische Bindung erfolgt, und dass in einer nachfolgenden zweiten Umschmelzstufe ein nochmaliges Umschmelzen der metallisch gebundenen Schicht durchgefuehrt wird unter Verwendung eines Energietraegerstrahles, der mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 75 kV und geringerer Strahlleistung gefuehrt wird.The invention relates to a method for surface treatment of metallic workpieces by means of energy carrier beam, in particular for influencing applied alloy layers. The goal is to create protective coatings with a high quality. In the surface treatment, the energy carrier jet is tasked in such a way that the material properties of the alloy layer can be specifically influenced and in a subsequent treatment phase a further influencing of the composition of the alloy layer is prevented. According to the invention, carbide-forming alloying elements are first deposited on a workpiece surface, which are subsequently mixed with the base material in a first remelting stage with the aid of an energy carrier beam with an acceleration voltage of preferably 100 kV, so that initially a completely metallic bond takes place, and that in a subsequent second remelting stage a re-melting of the metallically bonded layer is carried out using an energy carrier beam, which is guided with an acceleration voltage of preferably 75 kV and lower beam power.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mittels Energieträgerstrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, insbesondere zum Beeinflussen von aufgetragenen Legierungsschichten, die zum Schutz der Oberfläche gegen Verschleiß, Korrosion, thermische Beanspruchung u.a. dienen.The invention relates to a method for surface treatment of metallic workpieces by means of energy carrier beam, preferably electron beam, in particular for influencing applied alloy layers, which are used to protect the surface against wear, corrosion, thermal stress u.a. serve.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, eine Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mit Hilfe eines Energieträgerstrahles durchzuführen, wobei die Oberflächen umgeschmolzen werden, um eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften hinsichtlich Verschleiß und Korrosion zu erzielen. Durch den Umschmelzprozeß kommt es zu einem gewünschten feinkörnigen Gefüge bzw. zur Ausbildung eines beispielsweise ledeburitischen Gefüges.It is known to perform a surface treatment of metallic workpieces with the aid of an energy carrier beam, wherein the surfaces are remelted in order to achieve an improvement in the service properties in terms of wear and corrosion. The remelting process leads to a desired fine-grained microstructure or to the formation of a, for example, ledeburitic microstructure.

Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften bietet das Umschmelzlegieren. Hierbei werden während des Umschmelzvorganges dem Schmelzbad Legierungselemente zugeführt, was in unterschiedlichsterweise erfolgen kann. So sind Verfahren bekannt, bei denen Legierungselemente in Drahtform eingebracht werden. Das erfolgt vorzugsweise beim als „Springstrahlschweißen" bekannten Verfahren, bei dem eine Veredlung einer oberen Ringnut an einem Kolben für Brennkraftmaschinen erfolgt.Another possibility for improving the surface properties is remelting. Here, alloying elements are fed to the molten bath during the remelting process, which can take place in different ways. Thus, methods are known in which alloying elements are introduced in wire form. This is preferably done in the known as "jumping beam welding" process, in which a refinement of an upper annular groove on a piston for internal combustion engines takes place.

Auch ist die Zuführung von Legierungselementen in Form von vorher aufgebrachten Ringen und deren Einschmelzen bekannt. Diese Verfahren arbeiten jedoch nicht mit dem Ziel einer Ausbildungen Karbiden als Mittel eines Oberflächenschutzes. Karbidhaltige Verschleißschutzschichten werden vorwiegend durch CVD-PVD-Beschichtungen erzeugt. Diese Verfahren arbeiten jedoch mit Schichtdicken im /xm-Bereich. Größere Schichtdicken werden beim Flammpulverspritzen bzw. Plasmaspritzen erzielt. Die dabei erzeugten Verschleißschutzschichten sind jedoch durch eine hohe Porosität gekennzeichnet, wodurch es bei einer abrasiven Beanspruchung zum Abrieb der aufgebrachten Schicht kommt, da deren Bindung zum Grundwerkstoff meistens ungenügend ist. Werden Schichtdicken im Millimeterbereich gefordert, so besteht die Gefahr, daß die Schicht abplatzt. Von weiterem Nachteil ist, daß bei diesen Lösungen stets nur eine mechanische Bindung der aufgebrachten Schicht mit dem Grundwerkstoff erfolgt, wodurch die Qualität solcher Schichten in bezug auf Oberflächenrauheit und Homogenität mangelhaft ist.Also, the supply of alloying elements in the form of previously applied rings and their melting is known. However, these methods do not work with the aim of forming carbides as a means of surface protection. Carbide-containing wear-resistant coatings are predominantly produced by CVD PVD coatings. However, these methods work with layer thicknesses in the / xm range. Larger layer thicknesses are achieved during flame powder spraying or plasma spraying. However, the wear protection layers produced in this case are characterized by a high porosity, which leads to abrasion of the applied layer at an abrasive stress, since their bond to the base material is usually insufficient. If layer thicknesses in the millimeter range required, so there is a risk that the layer peels off. Another disadvantage is that these solutions are always only a mechanical bond of the applied layer with the base material, whereby the quality of such layers with respect to surface roughness and homogeneity is poor.

Deshalb gehen in letzter Zeit Versuche dahin, derartige Schichten einzuschmelzen, um eine bessere Haftung der Schicht mit dem Grundwerkstoff zu gewährleisten.Therefore, recent attempts have been made to melt such layers to ensure better adhesion of the layer to the base material.

Object of the invention

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke zu schaffen, wobei mit Hilfe eines Energieträgerstrahles Schutzschichten mit einer hohen Qualität ermöglicht werden.The invention provides a process for the surface treatment of metallic workpieces to be created, with the help of an energy carrier beam protective layers are made possible with a high quality.

-2- 247 165 Das Wesen der Erfindung-2- 247 165 The essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke zu entwickeln, wobei ein Energieträgerstrahl so zu führen ist, daß die Materialeigenschaften der Legierungsschicht gezielt beeinflußt werden können und in einer nachfolgenden Behandlungsphase eine weitere Beeinflussung der Zusammensetzung der Legierungsschicht verhindert wird un'd ein hoher Schutz der Oberfläche gegen Verschleiß, Korrosion, thermische Beanspruchung u.a. gewährleistet ist.The invention has for its object to develop a method for the surface treatment of metallic workpieces, wherein an energy carrier beam is to be performed so that the material properties of the alloy layer can be influenced and targeted in a subsequent treatment phase further influencing the composition of the alloy layer is un'd a high protection of the surface against wear, corrosion, thermal stress and others is guaranteed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst karbidbildende Legierungselemente auf einer Werkstückoberfläche deponiert werden, die danach in einer ersten Umschmelzstufe mit Hilfe eines Energieträgerstrahles mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 100 kV mit dem Grundwerkstoff vermischt werden, derart, daß zunächst nur eine vollständige metallische Bindung erfolgt, und in einer nachfolgenden zweiten Umschmelzstufe ein nochmaliges Umschmelzen der metallisch gebundenen Schicht mit einem Energieträgerstrahl durchgeführt wird, der mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 75 kV und geringerer Strahl leistung geführt wird.According to the invention the object is achieved in that initially carbide-forming alloying elements are deposited on a workpiece surface, which are then mixed in a first Umschmelzstufe with the aid of an energy carrier beam with an acceleration voltage of preferably 100 kV with the base material, such that initially only a complete metallic bond , And in a subsequent second Umschmelzstufe a renewed remelting of the metallically bonded layer is carried out with an energy carrier beam, which is performed with an acceleration voltage of preferably 75 kV and lower beam power.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Umschmelzen unter Wegfall beider Umschmelzstufen mit einem geteilten oder mehreren Energieträgerstrahlen erfolgen, wobei sich die geteilten Energieträgerstrahlen unter Berücksichtigung des Umschmelzprozesses hintereinander oder nebeneinander befinden.According to a further feature of the invention, the remelting can be carried out by eliminating both Umschmelzstufen with a divided or multiple energy carrier beams, wherein the divided energy carrier beams are taking into account the Umschmelzprozesses one behind the other or side by side.

Bei dem Gegenstand der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine Vermischung von Legierungselementen und Grundwerkstoff sowie die Ausbildung der Geometrie der Legierungsschicht mittels einer Bestrahlung mit hoher Leistung in einer ersten Umschmelzstufe erreicht wird. Die so erzielten Oberflächenschichten besitzen eine gute Bindung zum Grundwerkstoff, ihre Eigenschaften zum Grundwerkstoff sind jedoch nicht optimal.The object of the invention is a method in which a mixing of alloying elements and base material as well as the formation of the geometry of the alloy layer by means of irradiation with high power is achieved in a first remelting stage. The resulting surface layers have a good bond to the base material, their properties to the base material are not optimal.

In der zweiten Umschmelzstufe kommt es zu einem Schmelzen der Oberflächenschicht durch geringere Strahlleistungen, wodurch aufgrund der unterschiedlichen Schmelztemperatur der Legierungsschicht und Grundwerkstoff nur die legierte Schicht nochmals umgeschmolzen wird. Damit können die Eigenschaft der Schicht wie Struktur, Oberflächenrauhigkeit dem jeweiligen Belastungsfall des Bauteils angepaßt werden. Die Zusammensetzung der Legierungsschicht ändert sich nicht, daß bei dem Umschmelzprozeß eine weitere Vermischung der Legierungsschicht und des Grundwerkstoffes ausgeschlossen ist. Lediglich die durch den Oberflächenschmelzvorgang erzeugte Wärme beeinflußt den Grundwerkstoff. Diese Beeinflussung kann entsprechend durch eine schnelle Behandlung vorteilhaft genutzt werden, um den Grundwerkstoff zu bearbeiten. Es kommt dann zum Umschmelzen der Legierungsschicht und zum Wärmebehandeln des Grundwerkstoffes.In the second remelting step, the surface layer melts as a result of lower jet powers, whereby due to the different melting temperature of the alloy layer and base material, only the alloyed layer is remelted again. Thus, the property of the layer such as structure, surface roughness can be adapted to the respective load case of the component. The composition of the alloy layer does not change, that in the remelting process further mixing of the alloy layer and the base material is excluded. Only the heat generated by the surface melting affects the base material. This influence can be advantageously used by a rapid treatment to edit the base material. It then comes to remelting of the alloy layer and heat treatment of the base material.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Auf der Oberfläche einer Welle aus 16 MnCr 5 werden die Legierungselemente Ni, Cr, B, Si sowie Karbide mit Hilfe des Widerstandsauftragsschweißens deponiert. Anschließend erfolgt die erste Umschmelzstufe unter Verwendung eines Elektronenstrahles bei einer Beschleunigungsspannung von 10OkV und scharf fokussiertem Strahl. Dabei kommt es zur Vermischung von Grundwerkstoff und den Legierungselementen. Die Karbide, die als Verschleißschutz erzeugt werden sollen, liegen in unterschiedlicher Verteilung vor, wobei das Oberflächengefüge noch keine homogene Struktur besitzt. Die groben Karbidkörner, die an der Oberfläche der Welle deponiert wurden, liegen in ungelöster Form vor.On the surface of a shaft of 16 MnCr 5, the alloying elements Ni, Cr, B, Si and carbides are deposited by means of resistance deposition welding. Subsequently, the first remelting step is carried out using an electron beam at an accelerating voltage of 10OkV and sharply focused beam. It comes to the mixing of base material and the alloying elements. The carbides, which are to be produced as wear protection, are present in different distribution, the surface structure does not yet have a homogeneous structure. The coarse carbide grains deposited on the surface of the wave are present in undissolved form.

In der nun folgenden zweiten Umschmelzstufe erfolgt die Bestrahlung mit einer Beschleunigungsspannung von 75kV und defokussiertem Elektronenstrahl. Da der Schmelzpunkt der legierten Schicht ca. 1200⁰C und der des Grundwerkstoffes ca. 1 500°C beträgt, findet keine weitere Vermischung statt, wodurch die Oberflächenqualität deutlich verbessert wird. Das nach der zweiten Umschmelzstufe gewonnene Gefüge ist feinkörniger und homogener und somit dem Verschleißverhalten gegen Mineral-Gleit-Verschleiß angepaßt. Die Verschleißeigenschaften können in weiteren Behandlungsstufen weiter verbessert bzw. verändert werden.In the following second remelting step, the irradiation takes place with an acceleration voltage of 75 kV and a defocused electron beam. Since the melting point of the alloyed layer about 1200 ⁰ C and the base material is about 1 500 ° C, there is no further mixing, whereby the surface quality is significantly improved. The structure obtained after the second remelting stage is finer and more homogeneous and thus adapted to the wear behavior against mineral sliding wear. The wear properties can be further improved or changed in further treatment stages.

Claims

Invention claim:

1. A method for surface treatment of metallic workpieces by means of energy carrier beam, preferably electron beam, in particular for influencing alloy layers, which protect the surface against wear, corrosion, thermal stress u.a. serve, characterized in that first cardid-forming alloying elements are deposited on a workpiece surface, which are subsequently mixed in a first Umschmelzstufe with the aid of an energy carrier beam with an acceleration voltage of preferably 100 kV with the base material, such that initially a completely metallic formation takes place, and that In a subsequent second remelting stage a renewed remelting of the metallically bonded layer is carried out with an energy carrier beam which is guided with an acceleration voltage of preferably 75 kV and lower beam power.

2. A method for the surface treatment of metallic workpieces according to item 1, characterized in that at Wegfallbeider Umschmelzstufen the remelting of the workpiece surface is carried out with a split or multiple energy carrier beams, wherein the divided energy beams, taking into account the Umschmelzprozesses one behind the other or side by side.

3. A method for surface treatment of metal workpieces according to item 1 and 2, characterized in that an electron beam is used.