DE19817091C2 - Verfahren zum Einlegieren von pulverförmigen Zusatzstoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einlegieren von pul­ verförmigen Zusatzstoffen in Werkstücke mit einer verschleiß­ beständigen Oberfläche zur Erzeugung von verschleißbeständigen Innenkolbenlaufflächen eines Leichtmetallmotorblockes mittels Laserstrahlung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Aus der DE 196 39 480 A1 ist ein Verfahren zur Innenbeschichtung von Zylinder-Laufflächen bekannt, wobei in die Laufflächen pul­ verförmige Zusatzstoffe mittels Laserstrahlung legiert werden. Als Zusatzstoffe werden Metall- oder Metallkeramik-Pulver ver­ wendet.

Aus der DE 195 33 960 C2 ist ferner ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Herstellung von metallischen Werkstücken bekannt, wobei mit einem Laserstrahl metallhaltiges Pulver im Schmelz­ bereich des Laserstrahls aufgeschmolzen und so als Schicht auf­ gebracht wird. Die Beschichtungseinrichtung aus Lasereinheit und Pulverzuführungsvorrichtung wird je nach Werkstückgeometrie bzw. Beschichtungsbedarf relativ zur Werkstückoberfläche bewegt.

Bei der Laseroberflächenbehandlung zur Erzeugung von verschleiß­ beständigen Innenkolbenlaufflächen eines Leichtmetallmotorbloc­ kes kommt es darauf an, eine flächendeckende Randschichtbehand­ lung durch Aufbringung von Laserenergie über weite Bereiche zu schaffen. Während der Behandlung soll ein Umschmelzen, Einlegie­ ren, Dispergieren und ggfs. ein Beschichten mit Pulver erfolgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Einlegieren von pulverförmigen Zusatzstoffen in Werkstücke mit Innenkolben­ laufflächen zu ermöglichen, die die Oberfläche verschleißbestän­ diger machen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens zu schaffen, mit der das Umschmelzen, Einlegieren, Disper­ gieren und ggfs. Beschichten mittels Pulver zu bewerkstelligen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Haupt­ ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Aus­ führungsformen der Erfindung wieder.

Gegenüber anderen Verfahren können erhöhte Legierungsanteile in der Randschicht, intermetallische Verbindungen in der Rand­ schicht oder auch ein Siliziumgehalt in der Randschicht erhöht werden. Weiter kann man mit einer Kornverfeinung in der Rand­ schicht, insbesondere bei Aluminium Guß- oder Knetlegierungen in metallischen Werkstoffen eine erhöhte Abriebfestigkeit, die beispielsweise in Motorkomponenten, aber auch andere verschleiß­ beanspruchten Werkzeugen, Rohren und Führungsbuchsen erreicht werden soll, erreichen.

Insbesondere ist durch die Verwendung eines Laserlicht­ strahls, der am Ort seines Auftreffens ein Plasma aus Werkstoffmaterial erzeugt, die Einbringung von Pulver in das lokal erzeugte Plasma möglich. Durch die Einbringung von Siliziumpulver mit einer Korngröße von beispielsweise 50 µm bis 150 µm läßt sich bei einem Laserlichtstrahl von 2 kW auf 0,5 bis 2 mm Fleckdurchmesser eine Eindringtiefe von 1 mm erreichen, die eine genügend dicke verschleißbe­ ständige Schicht erzeugt, so daß diese Schicht sich nicht bei mechanischer Belastung vom Werkstück trennt. Gleich­ zeitig wird durch das gewählte Fördergas, z. B. ein Edel­ gas, eine Trennung des Plasmas von reaktiver sauerstoffhal­ tiger Atmosphäre gewährleistet. Die Laserstrahlleistung wird derart gesteuert, daß eine geeignete Verteilung von Primär- und Sekundär-Hartphase entsteht.

Vorteilhafterweise wird durch einen derart eingebrachten Siliziumanteil von 20-50% in der Hartphase der Oberflä­ che sichergestellt, daß nach wie vor elastische Eigen­ schaften in der Tiefe des Werkstücks vorliegen, die es möglich machen, die mechanischen Belastungen beispielswei­ se einer Zylinderlauffläche eines Motors aufzunehmen.

Weiter sind erhebliche thermische Probleme zu lösen, wenn, wie vorgeschlagen, eine Energiestrahlsonde in einen zylin­ drischen Abschnitt eines Werkstückes eingetaucht wird. Au­ ßer der durch das Werkstück abgestrahlten Wärme ergeben die geometrischen Verhältnisse eine erhebliche Erwärmung des Sondenkopfes, der erfindungsgemäß durch eine Wasser­ kühlung entgegengewirkt wird.

Weiter ist der Sondenkopf nach der Erfindung drehbar aus­ gestaltet, so daß, anders als in bisher den Erfindern be­ kannten Anlagen, in denen das Werkstück gedreht werden muß, dieses nunmehr ortsfest bleiben kann, eine beispielsweise bei zu bearbeitenden Motorblöcken bedeutende Erleichte­ rung. Stattdessen wird nun Laserlicht und einzulegierendes Pulver in seinem Fördermedium jeweils über eine Drehdurch­ führung dem Sondenkopf zugeführt.

Günstig bei der Bearbeitung von Innenräumen ist jedoch, daß der erhitzte Fleck der zu bearbeitenden Oberfläche an dem das Pulver direkt ins Plasma eingebracht wird, durch das Fördergas so stark angeblasen wird, daß etwaige auf­ tretende störende Dämpfe, die durch die Plasmabildung des Werkstoffes erzeugt werden, aus dem Innenraum des Werks­ tückes sofort abtransportiert werden. Die (vorzugsweise Laser-)Optik wird dabei durch einen Cross-Jet, eine Düse, die quer vor der Optik (Laserstrahlaustrittsfenster) ange­ ordnet ist, freigehalten. Durch die Düse wird Schutzgas (z. B. Druckluft) gefördert und dadurch verhindert, daß aus­ gebrachtes Pulver sich auf der Optik absetzt.

Falls nötig kann zusätzlich zum Förder- auch ein separates Schutzgas neben dem Energiestrahl in der Sonde zugeführt werden.

Bei einer Laserlichtleistung von ca. 2 kW auf einen Strahlfleck von einem Durchmesser von ca. 0,5 bis 2 mm bei einem Vorschub von 300 bis 1500 mm pro Minute und bei ei­ ner Fördergaszuführung von ca. 10-20 l pro Minute mit dazu zu rechnender Pulverzuführung von bis zu 10 g pro Mi­ nute kann so die Sonde z. B. auf einen sich spiralig wan­ dernden definierten Oberflächenort räumlich konzentriert das Werkstück bearbeiten, wobei bei jeweils einer abge­ schlossenen Drehung der Sonde durch ein gleichzeitiges Ab­ senken der Sonde der jeweils bearbeitete Oberflächenort über die gesamte zu bearbeitende Oberfläche wandern kann.

Auf diese Weise wird eine Einlegierung von 20-50% Sili­ zium in der Oberfläche erzeugt wird, wobei überschüssiges Siliziumpulver insbesondere am Ende der Bewegung mit dem Fördergas aus dem Werkstückinneren abtransportiert wird.

Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Innenraumbe­ arbeitung eines Leichtmetallmotorblockes, wobei die Sonde in der zusammen mit einer Zuführung von Siliziumpulver in einem Förder- und Schutzgas eine energiestrahlausbringende Einrichtung angeordnet ist, in einen Motorblock eingesenkt werden kann, ohne diesen, wie zuvor nötig, als solchen zu drehen.

Durch einen an der Sonde angeordneten Drehantrieb für we­ nigstens den Endabschnitt der Pulverausbringdüse und der Energiestrahlausbringeinrichtung, und den teleskopischen Antrieb, der diesen Endabschnitt absenkt, ist ein gleich­ zeitiger Einsatz für eine Mehrzahl von Zylindern reali­ siert.

Dabei ist in den vorgeschlagenen stabförmigen Sonden ein einen parallelen Laserlichtstrahl über eine Auslängstrecke kollimierendes Linsensystem vor einem im Sondenkopf ausge­ bildeten Umlenkspiegel vorgesehen, wobei für die eine drehentkoppelte Durchführung für drei Prozeßmedienleiter, nämlich wenigstens für einen Kühlwasser-Zu- und -Rücklauf, sowie für pulverführendes Fördergas in dem auslängbaren freiverdrehbaren Sondenkopf der Randbereich vorgesehen ist.

Schließlich wird ein beipielsweise oberhalb des (Laser-) Strahlaustritts angeordneter Crossjet-Austritt im Bereich des Laserlichtaustritts vorgesehen, der mit der Zuführung des Schutzgas in Verbindung steht, und beipielsweise nach unten gerichtet ist. Für die Pulveraustrittsdüse können je nach zu erzielender Einbringtiefe und Fortschreitungsge­ schwindigkeit durch einfachen Austausch der auswechselba­ ren Endteile geeignete Geometrien gewählt werden.

Insgesamt läßt sich durch diese Anordnung eine recht enge Annäherung der Sonde an das Werkstück von beispielsweise 40 mm gewährleisten, wesentlich weniger, als bei bisheri­ gen pulverausbringenden Einrichtungen möglich war, die im Bereich von 70 mm lagen. Durch geeignete fokusformende Mittel oder einen Strahlteiler wird eine ruhige Prozeßfüh­ rung erreicht. Ebenso ist es möglich, eine sonst noch not­ wendige Wärmebehandlung auf diese Weise einzusparen.

Außer der Aufbringung von Laserenergie zur Erzeugung eines Plasmas ist auch die Verwendung anderer Strahlverfahren, z. B. Plasma- oder Elektronenstrahlen denkbar.

Insbesondere für den Einsatz von Hochleistungslasern wie eines Nd-YAG-Lasers ist eine Rotationsoptik für die Rohr­ innenbearbeitung geeignet, bei der mit einer fokussieren­ den Optik und einem Beam-Expander eine verlängerbare par­ allele Strecke erzeugt wird, in der auch eine im wesentli­ chen von Pulver freie Strecke zur Ausbringung von Prozeß­ gas vorgesehen ist. Ein Beam-Expander ist eine verstellbare Linsenanordnung zur Veränderung des Strahldurchmessers bzw. Strahlquerschnitts. Durch entsprechende Mittel könnte ein Pulvertransport in äußeren Randbereichen der Sonde erfol­ gen.

Bezüglich des Sondenkopfes muß darauf hingewiesen werden, daß außer dem Laserlicht auch ein Kühlmedium (z. B. H₂O) und ggf. ein zusätzliches Schutzgas für den Crossjet, u. U. Luft, neben den Prozeßgasen, in denen ein Pulver mitge­ führt ist, jeweils über die Drehführung in den kontinuier­ lich sich drehenden äußeren Sondenkopf eingeleitet werden.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine drehentkoppelte Durchführung für Kühlwasser-Zu- und -rücklauf erreicht. Gleichzeitig ist der Laserstrahl in diesem Bereich frei verlaufend, so daß möglichst viel Raum für die Ausbringung der Materialien möglich ist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Einlegieren von pulverförmigen Zusatzstoffen in Werkstücke mit einer verschleißbeständigen Oberfläche zur Erzeugung von verschleißbeständigen Innenkolbenlauf­ flächen eines Leichtmetallmotorblockes mittels Laserstrah­ lung, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Sonde zusammen mit der kontinuierlichen Zu­ führung der pulverförmigen Zusatzstoffe in einem Förder- und Schutzgas ein Energiestrahl auf einen sich spiralig wandernden, definierten Oberflächenort räumlich konzen­ triert aufgebracht wird, wobei am Ort seines Auftreffens ein Plasma aus Werkstoffmaterial erzeugt wird, das die Einbringung des Pulvers in das lokal erzeugte Plasma er­ möglicht, und wobei unter ortsfest gehaltenem Werkstück bei jeweils einer abgeschlossenen Drehung der Sonde durch ein gleichzeitiges Absenken der Sonde der jeweils bearbeitete Oberflächenort über die gesamte zu bearbeitende Oberfläche wandert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Laserstrahlung und den eingebrachten Zusatz­ stoff eine Verteilung von Primär- und Sekundär-Hartphasen in der Oberfläche erfolgt, bei der die zur Aufnahme von mechanischen Belastungen erforderliche elastische Eigen­ schaft in der Tiefe des Werkstücks erhalten bleibt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzte Oberflächenort, an dem das Pulver direkt ins Plasma eingebracht wird, durch das Fördergas so stark angeblasen wird, daß die durch die Plasmabildung entstehen­ den Dämpfe des Werkstoffes aus dem Innenraum des Werkstüc­ kes abtransportiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Sonde zusammen mit der kontinuierlichen Zu­ führung von Siliziumpulver in einem Förder- und Schutzgas ein Energiestrahl auf einen spiralig wandernden definierten Oberflächenort räumlich konzentriert aufgebracht wird, wobei unter ortsfest gehaltenem Werkstück bei jeweils einer abgeschlossenen Drehung der Sonde durch ein gleichzeitiges Absenken der Sonde der jeweils bearbeitete Oberflächenort über die gesamte zu bearbeitende Oberfläche wandert, und bei einem Vorschub von mindestens 300 mm pro Minute und einer Prozeßgaszuführung von ca. 10-20 l pro Minute sowie einer Pulverzuführung von bis zu 10 g pro Minute eine Ein­ legierung von 20-50% Silizium in der Oberfläche erzeugt wird, wobei überschüssiges Siliziumpulver insbesondere am Ende der vertikalen Bewegung mit dem Fördergas aus dem Werkstückinneren ausgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegieren bei einer Laserlichtleistung von ca. 2 kW auf einen Strahlfleck von einem Durchmesser von ca. 0,5 bis 2 mm und bei einem Vorschub von 300 bis 1500 mm pro Minute erfolgt.

6. Vorrichtung zum Laserlegieren eines Werkstücks zur Erlan­ gung einer verschleißbeständigen Oberfläche, insbesondere zur Innenraumbearbeitung eines Leichtmetallmotorblockes, gekennzeichnet durch

• - eine Sonde, in der zusammen mit einer Zuführung von Siliziumpulver in einem Förder- und Schutzgas eine energiestrahlausbringende Einrichtung angeordnet ist,
• - einen an der Sonde angeordneten Drehantrieb für den unteren Abschnitt einer Pulverausbringdüse, einer Energiestrahlausbringeinrichtung und ihrer Kühlung,
• - einen teleskopischen Antrieb für den Abschnitt einer Pulverausbringdüse und einer Energiestrahlausbringein­ richtung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Laseroberflächenbehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in einer stabförmigen Sonde, ein einen parallelen Laserlichtstrahl über eine Auslängstrecke kollimieren­ des Linsensystem vor einem im Sondenkopf ausgebildeten Umlenkspiegel vorgesehen ist, und
• - eine drehentkoppelte Durchführung für drei Prozeßme­ dienleiter, nämlich wenigstens für einen Kühlwasser- Zu- und -Rücklauf, einen Schutzgasleiter sowie für pulverführendes Fördergas in den auslängbaren freiver­ drehbaren Sondenkopf vorgesehen ist,

wobei ein Crossjet-Austritt im Bereich des Laserlicht­ austritts vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Versorgung des Crossjet-Austritts mit Schutzgas nach der Drehdurchführung eine Fluidverbindung gewählt ist, die den Laserstrahl, jedoch kein gefördertes Pulver, oder nur in unwesentlichen Mengen, an den Umlenkspiegel gelangen läßt.