DE102006046503A1

DE102006046503A1 - Laseroxidieren von Magnesium-, Titan- oder Aluminiumwerkstoffen

Info

Publication number: DE102006046503A1
Application number: DE102006046503A
Authority: DE
Original assignee: MG MICRO GALVA GmbH; MG-MICRO GALVA GmbH
Current assignee: MG MICRO GALVA GmbH; MG-MICRO GALVA GmbH
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2008019721A1

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren zur Bildung einer Verschleißschutzschicht auf Werkstoffen aus Aluminium, Magnesium, Titan und deren Legierungen oder dergleichen, wobei Teile der Oberfläche des Werkstoffes gehärtet wurden und die Verschleißschutzschicht auf der gehärteten Schicht gebildet wird. Die Verschleißschutzschicht erfolgt mittels Laseroxidation in einem sauerstoffhaltigen Gas auf der feinkörnigen Metallschmelzschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer oxidischen Verschleißschutzschicht auf metallischen Werkstoffen, z. B. Magnesium, Titan oder Aluminium.
In vielen Bereichen der Industrie spielt der Verschleißschutz von Bauteilen eine bedeutende Rolle. Der Aluminiumwerkstoff z. B. ist ein sehr leichter Werkstoff, jedoch sind seine Festigkeit und Härte denen von Eisenbasiswerkstoffen weit unterlegen.
Aus diesem Grunde hat es in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, die Verschleißeigenschaften herkömmlicher Werkstoffe zu verbessern.
So ist es schon lange bekannt, den Aluminiumwerkstoff in Elektrolyten wie Schwefelsäure, Oxalsäuren, Chromsäuren u. a. zu anodisieren und damit mit einer Verschleißschutzschicht zu überziehen (siehe dazu: Wernick, Pinner, Zurbrügg, Weiner:
„Die Oberflächenbehandlung von Aluminium", Eugen Leuze Verlag, Saulgau /Württemberg, Germany.
Für viele Zwecke ist aber der durch Anodisieren zu erreichende Verschleißschutz unzureichend, da die Schichthärten maximal ca. 500 HV betragen. Für Guss- oder Druckgusswerkstoffe auf Aluminiumbasis wird dieser Wert auch trotz Einsatz von Harteloxal bei weitem nicht erreicht. Außerdem ist bekannt, dass der Reibungskoeffizient der Anodisationsschicht und Rissempfindlichkeit gegen Stahl sehr hoch ist (μ = 0,8) und dadurch in tribologischen Systemen der Einsatz sehr eingeschränkt ist.
So wird in EP 1050606 A1 (Keronite) ein plasmachemisches Verfahren in Elektrolyten beschrieben, mit dessen Hilfe sehr verschleißfeste Oberflächen auf Aluminiumlegierungen erzeugt werden können. Das Verfahren ist aber äußerst energieintensiv und arbeitet bei sehr hohen elektrischen Spannungen. Die Abscheidegeschwindigkeit der oxidischen Schicht ist sehr gering und liegt bei ca. 1 μm/min.
In der EP 1657326 ist ein plasmachemisches Verfahren in Elektrolyten beschrieben, in dem ein Aluminium- oder Magnesiumkolben in der Ringnut selektiv mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet ist.
Eine weitere Möglichkeit, die Oberfläche der Werkstoffe verschleißbeständiger zu gestalten, ist die Härtung der Oberfläche. In US 4,750,945 werden Aluminiumwerkstoffe mittels Laser aufgeschmolzen und gehärtet. Durch die Laserbearbeitung steigt die Härte von ca. 80 HV in den unbehandelten Bereichen auf ca. 200 HV in den laserbehandelten Bezirken. Der Verschleißschutz ist verbessert, aber aufgrund der immer noch zu geringen Härte unzureichend.
Erfolgt die Laserbehandlung der Oberfläche der Bauteile unter Zugabe von Stickstoff oder N-haltigen Gasen, so kann es zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen, das etwa eine Härte von 1230 HV aufweist. In den HTM, Band 53, Heft 5 (1998) „Aufbau und Eigenschaften von lasernitrierten Randschichten auf Aluminiumwerkstoffen" wird ein Verfahren zur Lasernitrierung beschrieben. Dort wird ein UV-Laser in einer Stick stoffatmosphäre eingesetzt, um die Reaktion von Aluminium und Stickstoff durchzuführen. In EP 0745450 A2 (Audi) wird ein vergleichbares Lasernitrierverfahren zur Bearbeitung der Oberfläche von Zylinderlaufflächen von Hubkolbenbrennkraftmaschinen aus einer Aluminiumlegierung vorgestellt.
Aluminiumnitrid (ALN) ist zwar sehr hart (ca. 1230 HV), hat aber den Nachteil, dass es sehr spröde ist und die ALN-Schicht zum Abplatzen neigt. Die ALN-Schichten sind sehr dünn und benötigen zur Herstellung lange Prozesszeiten. Bei einer punktuellen Belastung der ALN-Schicht kommt es zu einem so genannten „Eierschaleneffekt", d. h. die ALN-Schicht wird eingedrückt und der Verschleißschutz ist nicht mehr gegeben. Aus diesem Grunde wird das Verfahren der Laserbehandlung zu ALN-Schichten auf Aluminiumwerkstoffen in der Praxis wenig eingesetzt.
Bekannt sind weiter Plasmaspritzverfahren zum Aufspritzen von Hartstoffen auf Aluminiumwerkstoffen. Diese durch Plasmaspritzen erzeugten Produkte haben den Nachteil des Abplatzens der Hartstoffschicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine Verschleißschutzschicht auf einem Aluminiumwerkstoff erzeugt werden kann, die sehr gute Rissempfindlichkeit, Festigkeit, Härte, Verschleiß- und Korrosionsschutzeigenschaften besitzt.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, dass die Verschleißschutzschicht auf dem Aluminiumwerkstoff durch Laseroxidieren in Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird.
Es bildet sich im oberflächennahen Bereich des Werkstoffes eine Schmelzschicht, die mit dem Sauerstoff reagiert und eine sehr harte Korundschicht bildet. Die stark exotherme Reaktion bei der Umsetzung von Metall mit Sauerstoff zur Metalloxid beeinflusst positiv die Reaktionsgeschwindigkeit, so dass sich als Hochtemperaturform Korund oder andere Oxide wie z.B. AL-Oxid oder Mischoxide gebildet aus legierungselementen bildet.
Es ist möglich, den Laser bei der Beschichtung zu bewegen oder umgekehrt das metallische Werkstück. Es wird die Oberfläche des Aluminiumwerkstückes mit dem Laserstrahl systematisch abgerastert. Dabei wird in einer reinen Sauerstoffatmosphäre gearbeitet, die durch einen Reaktionsraum mit reinem Sauerstoff oder durch Düsen, die unmittelbar den Sauerstoff in die Nähe des auftreffenden Laserstrahles auf dem Werkstoff transportieren, realisiert.
Der einzustellende Druck liegt zwischen Atmosphärendruck 0,1 und 100 bar. Das Verfahren kann auch selektiv betrieben werden, d. h. nur ausgewählte Oberflächenbereiche des Aluminiumwerkstoffes werden laseroxidiert.
Als Laser eignet sich u. a. besonders ein Nd: YAG Laser mit 532 nm bzw. 1064 nm Wellenlänge. Die Energiedichte des Lasers wird vorzugsweise abhängig von der Korundschichtstärke von 0,2 bis 50 J/cm² eingestellt. Es lassen sich aber auch andere Laser als Energiequelle einsetzen. Dabei können auch gepulste Varianten Anwendung finden. Als Laser kann für die Laseroxidation eine ultraviolette, grüne oder u. a. infrarote Laserstrahlung eingesetzt werden. Bei Einwirkung des Lasers auf dem Aluminiumwerkstoff wird dieser zu einer sehr feinkörnigen Aluminiumschicht beispielsweise bis zu 0,1, bis zu 300 oder bis zu 2000 μm umgeschmolzen und auf dieser feinkörnigen Aluminiumschicht bildet sich dann die Verschleißschutzschicht aus Korund bis zu einer Dicke von 300 μm.
Das Verfahren wird nun an einem Beispiel beschrieben. In einer reinen Sauerstoffatmosphäre wird eine Aluminiumplatte aus der Legierung AlSi12 mit einem Nd-YAG Laser mit der Wellenlänge 1064 nm behandelt. Die Energiedichte wurde mit 2 J/cm² eingestellt. Der Druck beträgt 2 bar. Die Oberfläche der Aluminiumplatte wurde mit dem Laserstrahler rasterförmig abgetastet. Es entsteht auf der Oberfläche der Aluminiumplatte eine feinkörnige Aluminiumschmelzschicht, die etwa eine 8 μm dicke Verschleißschutzschicht aus Korund trägt. Die Härte der Korundschicht wurde mit 2006 ±40 HV ermittelt.

Claims

Verfahren zur Bildung einer Verschleißschutzschicht auf Werkstoffen aus Aluminium, Magnesium, Titan und deren Legierungen oder dergleichen, wobei Teile der Oberfläche des Werkstoffes gehärtet wurden und die Verschleißschutzschicht auf der gehärteten Schicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht mittels Laseroxidation in einen sauerstoffhaltigen Gas auf der feinkörnigen Metallschmelzschicht erfolgt.
Verfahren wie Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroxidation mittels ultravioletter, grüner oder infraroter Laserstrahlung bevorzugt mittels eines Nd: YAG-Lasers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Laser Verwendung findet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroxidation des Metallwerkstoffes bei Drücken zwischen 0,1 und 100 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroxidation des Aluminiumwerkstoffes mit einer vorzugsweisen Energiedichte von 0,1 bis 100 J/cm² durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht selektiv auf den jeweiligen Werkstoffen erzeugt wird.
Bauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Magnesium-, Titan-, Aluminium-Werkstoff ist und zumindest in Teilbereichen eine durch Laseroxidation erzeugte Verschleißschutzschicht aus Oxiden, deren Legierungen und Mischoxiden besteht wie Korund, Al203 (α, β, γ) AlxOy, TixOy, MgxOy, wobei alle Legierungsanteile wie Bi, Sn, Al, Mg, Ti, Ta, V, Cu, Mn, Mo, ... u.v.m. stabile Mischoxide bilden können.