DE10009133A1 - Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche - Google Patents
Verfahren zum Laserbeschichten einer OberflächeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche, insbesondere einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei ein Grundwerkstoff der Oberfläche mittels eines Laserstrahls zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und ein wenigstens eine Komponente aufweisendes Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht wird. Hierbei wird das Schmelzbad derart gebildet bzw. wird/werden die Komponente/Komponenten des Legierungspulvers derart gewählt, daß wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers in dem Schmelzbad nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen wird, so daß diese Komponente vollständig oder wenigstens teilweise im festen Aggregatzustand in den Grundwerkstoff eingebettet wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche,
insbesondere einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils,
insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei
ein Grundwerkstoff der Oberfläche mittels eines Laserstrahls zu einem lokalen
Schmelzbad aufgeschmolzen und ein wenigstens eine Komponente aufweisendes
Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht wird, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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 Aluminium
legierungen. 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 als 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.
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 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Schmelzbad derart gebildet wird
bzw. die Komponente/Komponenten des Legierungspulvers derart gewählt wird/werden,
daß wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers in dem Schmelzbad nicht oder
nur teilweise aufgeschmolzen wird, so daß diese Komponente vollständig oder
wenigstens teilweise im festen Aggregatzustand in den Grundwerkstoff eingebettet 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.
Beispielsweise besteht das Legierungspulver aus ein oder mehreren Komponenten,
wobei eine Komponente im Schmelzbad vollständig aufgeschmolzen werden kann.
Zweckmäßigerweise wird der Grundwerkstoff derart aufgeschmolzen, daß das
Legierungspulver einlegiert 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. Zudem kann das Legierungspulver ein- oder mehrphasig sein, wobei das
Legierungspulver Silizium und AlSi umfassen kann. Das Legierungspulver kann auch
Stoffe beinhalten, welche eine geeignete Ausscheidung, wie beispielsweise Eisen,
bilden. Desweiteren kann das Legierungspulver Hartstoffe, wie beispielsweise Karbide,
Nitride, Boride oder Oxide beinhalten.
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:
TS(k1) < TS(G), TS(k2), . . . TS(kn)
oder
TS(k1) < TS(G).
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.
10
Grundwerkstoff
12
Oberfläche
14
Laserstrahl
16
Vorschubrichtung
18
Schmelzbad
20
Legierungspulver
22
erstarrter Bereich
24
Komponente K1
des Legierungspulvers
Claims (16)
1. Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche, insbesondere einer Innenfläche
einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-
Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei ein Grundwerkstoff der
Oberfläche mittels eines Laserstrahls zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen
und ein wenigstens eine Komponente aufweisendes Legierungspulver in das
Schmelzbad eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzbad
derart gebildet wird bzw. die Komponente/Komponenten des Legierungspulvers
derart gewählt wird/werden, daß wenigstens eine Komponente des
Legierungspulvers in dem Schmelzbad nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen
wird, so daß diese Komponente vollständig oder wenigstens teilweise im festen
Aggregatzustand in den Grundwerkstoff eingebettet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver
wenigstens zwei Komponenten umfaßt, wobei wenigstens eine Komponente im
Schmelzbad vollständig aufgeschmolzen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Grundwerkstoff derart aufgeschmolzen wird, daß das Legierungspulver einlegiert
oder auftragsgeschweißt wird.
4. 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.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Erzeugen des Schmelzbades der Grundwerkstoff vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grundwerkstoff mit einer Tiefe von ≦ 0,2 mm zum Schmelzbad
aufgeschmolzen wird.
7. 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.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Legierungspulver ein- oder mehrphasig gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Legierungspulver Silizium und AlSi umfaßt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Legierungspulver Stoffe beinhaltet, welche eine geeignete Ausscheidung,
wie beispielsweise Eisen, bilden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Legierungspulver Hartstoffe, wie beispielsweise Karbide, Nitride, Boride
oder Oxide, umfaßt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Laserbrennpunkt oder Schmelzpunkt in einem vorbestimmten Muster über
die Innenfläche geführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Laserbrennpunkt mit einer Vorschubgeschwindigkeit ≧ 4000 mm/min bewegt
wird.
14. 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.
15. 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.
16. 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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