DD292159A5 - PROCESS FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIALS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflaechenveredlung von metallischen Werkstoffen. Objekte, auf die sich die Erfindung bezieht, sind Werkstoffe, deren Oberflaeche mittels Laserstrahl veredelt wird. Erfindungsgemaesz wird die Oberflaeche des metallischen Werkstoffes ueber das Einlegierungsverfahren veredelt, indem zum Einlegieren mindestens eine hochlegierte, amorphe Metallfolie, deren Hoehe des Legierungsgehaltes durch den Vermischungsgrad mit dem Grundwerkstoff bestimmt wird, verwendet wird.{Oberflaeche; Veredlung; Werkstoffe; Laserstrahl; Einlegierungsverfahren; amorphe Metallfolie; Legierungsgehalt; Vermischungsgrad; Grundwerkstoff}The invention relates to a method for surface finishing of metallic materials. Objects to which the invention relates are materials whose surface is refined by means of a laser beam. According to the invention, the surface of the metallic material is refined by the alloying process by using for alloying at least one high alloyed amorphous metal foil whose level of alloying content is determined by the degree of mixing with the base material. finishing; materials; Laser beam; Einlegierungsverfahren; amorphous metal foil; Alloy content; Degree of mixing; Base metal}
Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schweißtechnik. Besonders vorteilhaft ist ihre Anwendung zur Oberflächenveredlung von Werkstoffen mittels Laserstrahl.The invention relates to the field of welding technology. Particularly advantageous is their use for surface finishing of materials by means of laser beam.
Bei einer Reihe von Bauteilen ist eine oberflächenbegrenzte z.T. auch nur örtliche Werkstoffmodifikation notwendig. Zu der Vielzahl der technischen Lösungsvarianten zählt auch das Laserstrahlverfahren. Neben der oberflächenbegrenzten Wärmebehandlung in der festen oder flüssigen Phase werden zahlreiche Versuche zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung im oberflächennahen Bereich unternommen. Dabei kommt unter anderem das Einlegierungsverfahren zur Anwendung. In der Literatur (Tamlinson, W. u.a.: .Cerritation wear of untreated and laser-processed hard faced coatings" wear 117 (1987) S. 103-107 und Sepold, C: ,Oberflächenveredlung durch Laserhärten und Laserlegieren" Stahl und Eisen 104 (1984) 5 S. 219-221) wird das Einlegieren von Deponierschichten beschrieben. Dabei wird in einem ersten Arbeitsgang der Schweißzusatzwerkstoff auf das Bauteil aufgebracht (z. B. durch Metallpulverspritzen, Widerstandsauftragsschweißen). In einem zweiten Arbeitsgang erfolgt durch den Laserstrahl ein Aufschmelzen des Schicht- und des oberflächennahen Grundwerktstoffs sowie deren Vermischung. Diese Verfahrensweise ist jedoch aufgrund der Zweistufigkeit der Gesamttechnologie sehr aufwendig.For a number of components, a surface limited z.T. only local material modification necessary. Among the large number of technical solution variants also counts the laser beam method. In addition to the surface-limited heat treatment in the solid or liquid phase, numerous attempts are made to change the chemical composition in the near-surface region. Among other things, the alloying process is used. In the literature (Tamlinson, W. et al.: "Coextrusion wear of untreated and laser-processed hard faced coatings" wear 117 (1987) pp. 103-107 and Sepold, C:, "Surface finishing by laser hardening and laser alloying" steel and iron 104 ( 1984) 5 p. 219-221) describes the alloying of landfill layers. In this case, the filler metal is applied to the component in a first operation (eg by metal powder spraying, resistance deposition welding). In a second operation, the laser beam melts the layered and near-surface base material and their mixing. However, this procedure is very expensive due to the two-stage nature of the overall technology.
Weiterhin ist das Einlegieren mittels kontinuierlicher Schweißzusatzwerkstoffzuführung, die sowohl über Pulver als auch über draht- oder bandförmige Schweißzusatzwerkstoffe erfolgen kann, bekannt (Snow; D. В.; Breinan, E. M.; Heaf, B. H.: .Rapid solidification processing of the superalloys using high power lasers". Proceedings of the Fourth Internat. Symposium on Superalloys, Am. Society for metals. Metals Park, Ohio, 1980, S. 189-203). Bei der Verwendung von draht- bzw. bandförmigen Schweißzusatzwerkstoffen sind der Variationsmöglichkeit der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenschicht enge Grenzen gesetzt. Der maximal zu realisierende Legierungsgehalt im Schweißzusatzwerkstoff darf bei diesem Verfahren nur sehr niedrig sein, da ansonsten mit den konventionellen Verfahren kein mechanisch flexibler Schweißzusatzwerkstoff herstellbar ist. Da aber das Einlegieren mit einer Vermischung des Schweißzusatzwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff verbunden ist, führt es nach diesem letztgenannten Stand der Technik zu einer weiteren Absenkung des realisierbaren Legierungsgehaltes in der Oberflächenschicht. Ein zu niedriger Legierungsgehalt in der Oberflächenschicht bewirkt aber, daß steigende Anforderungen an den Verschleißschutz nicht mehr realisiert werden können. Der Nachteil der Verwendung von draht- bzw. bandförmigen Schweißzusatzwerkstoffen besteht also in der zu geringen Verschleißfestigkeit bei höheren Anforderungen an die Oberflächenschicht, was im niedrigen Legierungsgehalt der Oberflächenschicht begründet ist. Pulverförmige Schweißzusatzwerkstoffe sind dagegen aufgrund ihrer aufwendigen Herstellungstechnologie (z. B. Verdüsen der Schmelze, Fraktionieren der kugligen Kornform usw.) sehr teuer. Zudem birgt die Verwendung von Pulvergemischen als Schweißzusatzwerkstoff aufgrund von Entmischungen im Pulver die Gefahr von Inhomogenitäten der Legierungskomponenten im Schweißgut in sich.Furthermore, alloying is known by means of continuous filler metal feed, which can be carried out both by powder and by wire or band-shaped filler metals (Snow, D. B. Breinan, EM, Heaf, BH: Rapid solidification processing of the superalloys using high power Lasers. "Proceedings of the Fourth International Symposium on Superalloys, Am. Society for Metals Park, Ohio, 1980, pp. 189-203.) When using wire-type or strip-shaped filler metals, the variation in the chemical composition of the metals In this process, the maximum alloy content to be realized in the welding filler material may only be very low, since otherwise no mechanically flexible filler metal can be produced using the conventional methods, however, since alloying is associated with a mixing of the filler metal with the base material it after the sem last mentioned prior art to a further reduction of the realizable alloy content in the surface layer. However, an excessively low alloy content in the surface layer means that increasing requirements for wear protection can no longer be realized. The disadvantage of the use of wire-shaped or strip-shaped filler metals therefore consists in the low wear resistance with higher demands on the surface layer, which is due to the low alloy content of the surface layer. By contrast, pulverulent filler metals are very expensive due to their complex production technology (eg atomization of the melt, fractionation of the spherical grain shape, etc.). In addition, the use of powder mixtures as filler metal due to segregation in the powder involves the risk of inhomogeneities of the alloy components in the weld metal.
-2- 291-2- 291
Das Ziel der Erfindung besteht in der wenig aufwendigen Herstellung einer Oberflächenschicht mit höherer Verschleißfestigkeit auf metallischen Werkstoffen über das Einlegierungsverfahren, unter Verwendung billigerer Schweißzusatzwerkstoffe, die nicht die Gefahr von Inhomogenitäten der Legierungskomponenten im Schweißgut in sich bergen.The object of the invention is the low-cost production of a surface layer with higher wear resistance on metallic materials via the Einlegierungsverfahren, using cheaper welding consumables, which do not involve the risk of inhomogeneities of the alloy components in the weld.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Herstellung von Oberflächenschichten auf metallischen Werkstoffen über das Einlegierungsverfahren eine einstufige Technologie vorzuschlagen, bei der Schweißzusatzwerkstoffe, deren Herstellungstechnologie wenig aufwendig ist und die sich nicht entmischen, zum Einsatz kommen und mit der ein höherer Legierungsgehatt in die Oberflächenschicht eingebracht wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe über das Einlegierungsverfahren gelöst, indem zum Einlegieren mindestens eine hochlegierte, amorphe Metallfolie, deren Höhe des Legierungsgehaltes durch den Vermischungsgrad mit dem Grundwerkstoff bestimmt wird, verwendet wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die amorphen Metallfolien auf der Basis von Co und/oder Ni und/oder Fe bestehen. Günstigerweise sollten diese Metallfolien dann hohe Gehalte an Glasbildnern, wie z. B. C und/oder B und/oder Si, und/oder Carbid- und/oder Boridbildnern, wie z. B. Cr und/oder W und/oder Mo, aufweisen. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zum Einlegieren mehrere (günstigerweise 2) amorphe Metallfolien gleicher oder unterschiedlicherchemischer Zusammensetzung gleichzeitig verwendet werden. Diese Technologie ermöglicht, einfach und unkompliziert in einem einstufigen Prozeß in den Grundwerkstoff eine Oberflächenschicht einzulegieren, deren Verschleißschutz den steigenden Anforderungen gerecht wird. Der hohe Legierungsgehalt der amorphen Metallfolie wird durch die beim Einlegieren auftretende Vermischung mit dem Grundwerkstoff auf den Optimalwert .verdünnt", so daß durch Variation des Legierungsgehaltes der amorphen Metallfolie eine Oberflächenschicht hergestellt werden kann, die den jeweiligen gewünschten Anforderungen an den Verschleißschutz gerecht wird. Eine zusätzliche Verbesserung der Eigenschaften kann erreicht werden, wenn sich an die Schichtherstellung über das Einlegierungsverfahren eine Wärmebehandlung, die gegebenenfalls mit dem Laserstrahl selbst durchgeführt werden kann, anschließt.The invention has for its object to provide for the production of surface layers on metallic materials on the Einlegierungsverfahren a one-stage technology, in the welding consumables whose production technology is inexpensive and not segregate, are used and with a higher alloy content in the surface layer is introduced. According to the invention, the object is achieved via the alloying process by using at least one high-alloyed, amorphous metal foil, whose height of the alloy content is determined by the degree of mixing with the base material, for alloying. It has proved to be advantageous if the amorphous metal foils are based on Co and / or Ni and / or Fe. Conveniently, these metal foils should then high levels of glass formers, such as. B. C and / or B and / or Si, and / or carbide and / or boride formers, such as. B. Cr and / or W and / or Mo, have. It is furthermore advantageous if several (advantageously 2) amorphous metal foils of the same or different chemical composition are used simultaneously for alloying. This technology makes it possible to easily and simply in a one-step process into the base material einzulegieren a surface layer whose wear protection meets the increasing demands. The high alloy content of the amorphous metal foil is "diluted" to the optimum value by the mixing with the base material occurring during alloying, so that a surface layer can be produced by varying the alloy content of the amorphous metal foil, which meets the respective desired requirements for wear protection Additional improvement of the properties can be achieved if the layer production via the alloying process is followed by a heat treatment, which can optionally be carried out with the laser beam itself.
Der Stahl C4S soll in der Oberflächenschicht in einen hochlegierten Stahl mit Gehalten an Cr, W, C und B umgewandelt werden. Als Schweißzusatzwerkstoff kommt eine durch Schnellabkühlung hergestellte, mechanisch flexible, amorphe Metallfolie auf Co-Basis mit 24% Cr, 4% W, C und B zum Einsatz. Bei einer Leistungsdichte des Laserstrahls von 2 · 10* W/cm2 wurde eine 25цт starke Folie mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 10mm/s dem sich mit 200mm/min bewegenden Werkstück zugeführt und eingeschmolzen. Bei einer Folienbreite von 10mm und einer Umschmelztiefe von 0,4mm wurde eine gehärtete (1100HV0,os) sowie mit Carbiden und Boriden angereicherte Oberflächenschicht mit dementsprechend guten Verschleißeigenschaften erreicht.The steel C4S is to be converted in the surface layer into a high-alloy steel with contents of Cr, W, C and B. The filler metal used is a co-based, 24% Cr, 4% W, C and B Co-based, mechanically flexible, amorphous metal foil produced by rapid cooling. At a power density of the laser beam of 2 × 10 -5 W / cm 2 , a 25-mil thick film was fed and melted at a feeding speed of 10 mm / sec at the workpiece moving at 200 mm / min. With a film width of 10 mm and a remelting depth of 0.4 mm, a hardened (1100HV 0 , os) as well as carbide and boride enriched surface layer with correspondingly good wear properties was achieved.
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