EP0462047A1

EP0462047A1 - Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Werkstück mit nach dem Verfahren hergestellter Oberflächenschicht

Info

Publication number: EP0462047A1
Application number: EP91810343A
Authority: EP
Inventors: Roger Guilloud; Roger Dr. Dekumbis; Denis Gonseth
Original assignee: Amysa Yverdon SA; Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Amysa Yverdon SA; Oerlikon Metco AG
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1991-12-18
Anticipated expiration: 2011-05-03
Also published as: EP0462047B1; PT97946B; JPH07148585A; CA2044226A1; DE59108894D1; JP3034079B2; US5224997A; ES2110985T3; PT97946A; CA2044226C

Abstract

Bei dem Verfahren wird das mit der Oberflächenschicht (101) zu versehende Werkstück (10) oder Teile davon mit einer induktiven HF/MF-Generator-Heizung (2, 20) auf eine erste Temperatur erwärmt. Mit einer Laservorrichtung (3, 30, 30′, 31, 32) werden Bereiche (10˝) der zu beschichtenden Oberfläche weiter erwärmt und die Oberflächenschicht auf dem Werkstück (10, 10′, 10˝) erzeugt. Die Vorrichtung umfasst die Laservorrichtung (3, 30, 30′, 31, 32) und die HF/MF-Heizung (2, 20) die es erlauben das Werkstück (10, 10′, 10˝) gleichzeitig mit beiden thermisch zu beeinflussen und zu bearbeiten. Die nach dem Verfahren erzeugten Oberflächenschichten (101) weisen erhöhte Qualität auf, da das Verfahren ein deutlich verbessertes Einhalten von Temperatur- und anderen Verfahrensparametern ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, sowie ein Werkstück mit nach dem Verfahren erzeugter Oberflächenschicht.
Werkstücke werden aus den verschiedensten Gründen ganz oder teilweise mit Oberflächenschichten versehen. Die Oberflächenschichten werden beispielsweise an thermisch, chemisch oder mechanisch besonders beanspruchen Stellen mit einer besonders thermisch oder mechanisch beanspruchbaren Schicht versehen. Die Schicht kann dabei durch eine Änderung der Struktur der Oberflächenbereiche eines Werkstücks, z.B. durch Härten, wie etwa durch thermische Behandlung, oder durch Einlagern von Fremdstoffen erfolgen. Oberflächenschichten werden aber auch durch das Aufbringen von eigentlichen Oberflächenschichten, wie durch Aufschmelzen oder durch galvanische Oberflächenbehandlung, erzeugt.
Bei beschichteten Werkstücken, die z.B. thermische wechselbelastet sind, hat man festgestellt, dass die Lebensdauer an sich geeigneter Oberflächenschichten für gewisse Anwendungen ungenügend ist. Die Oberflächenschicht oder Teile davon lösen sich vom Werkstück. In anderen Fällen stellt man fest, dass sich in der Oberflächenschicht Risse bilden, die zum Zerfall der Oberflächenschicht und auch des Werkstücks führen.
Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächenschichten verbesserter Qualität auf Werkstücken, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen. Weiter bezieht sich die Erfindung auf Werkstücke mit derartigen Oberflächenschichten.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren bzw. die Vorrichtung durch die Kennzeichen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 5 gekennzeichnet. Erfindungsgemässe Werkstücke sind durch die Merkmale von Anspruch 10 gekennzeichnet. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
Mit dem induktiven Hochfrequenz/Mittelfrequenz-Generator ist es möglich, das Werkstück, auf welchem die Oberflächenschicht aufzubringen ist, auf eine wohl definierte Temperatur zu erwärmen und - was für die Qualität der Oberflächenschicht von Bedeutung ist - diese Temperatur auch während der Herstellung der Oberflächenschicht präzis beizubehalten. Die induktive Vorwärmtemperatur kann problemlos auf ± 10° C genau eingehalten werden. Die verbesserte Qualität ist u.a. darauf zurückzuführen, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und dem Aufschmelzbereich, also dem Bereich, wo die Oberflächenschicht mit dem Laserstrahl fortlaufend erzeugt wird, erstens wählbar ist, zweitens relativ gering gehalten und drittens auch während des Herstellens der Oberflächenschicht gut eingehalten werden kann. Dadurch wird die Beschaffenheit der Oberflächenschicht, insbesondere deren Dicke, Oberflächenstruktur, kristallines Gefüge, Duktilität, Härte, u.s.w gleichmässiger und damit die Oberflächenschicht ganz allgemein besser. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren sind auch dünnere Oberflächenschichten herstellbar.
Grundsätzlich bestehen die folgenden Möglichkeiten, Oberflächenschichten herzustellen: Durch Härten im festen Zustand, bei welchem das Werkstück im Prinzip erwärmt und darauf rasch abgekühlt wird; durch Aufschmelzen und Umstrukturieren des Materials des Werkstücks; durch Aufschmelzen und Einlagern von Fremdmaterial, d.h. Legieren der Oberflächenschicht des Werkstücks; durch Aufschmelzen einer Schicht aus einem Werkstoff, der von jenem des Werkstücks verschieden ist, wobei sich Oberflächenschicht und Werkstück nur in einem dünnen Aufschmelzbereich verbinden. Dabei hat der Abkühlvorgang bei allen Arten der Herstellung von Oberflächenschichten einen Einfluss auf deren Eigenschaften.
Bei Oberflächenschichten aus einem von jenem des Werkstücks verschiedenen Werkstoff kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Schichtmaterials kleiner gewählt werden als jener des Materials des Werkstücks. Aufgrund der möglichen, genauen Temperaturwahl beim Beschichtungsvorgang kann die Temperatur des Werkstücks bei der Beschichtung höher als die für das Werkstück vorgesehene Betriebstemperatur gewählt werden und zwar derart, dass bei Betriebstemperatur die Oberflächenschicht im Betrieb eine definierte Druckkraft erfährt, die vom Werkstück auf die Oberflächenschicht ausgeübt und übertragen wird. Derartige Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht wirken der Rissbildung, der Materialermüdung und auch der Korrosion des Teils und insbesondere der Oberflächenschicht entgegen. Es werden also die Lebensdauer und Qualität des TEils und insbesondere der Oberflächenschicht verbessert. Dies ist beispielsweise bei einer Stellit 6 Schicht auf einem Werkstück aus rostfreien Stahl X2 CrNiMo 18 12 (Chrom-Nickel-Molybdän) der Fall.
Die Möglichkeit des raschen induktiven Vorwärmens des Werkstücks in einem ersten Temperaturbereich auf eine wählbare erste Temperatur, yerringert auch die störenden Oxydationsvorgänge auf der Werkstückoberfläche beim Beschichten oder vermeidet diese ganz, wenn das Erwärmen unter Schutzgas erfolgt.
Das induktive Aufheizen lässt durch entsprechendes Anpassen der Induktionsspule des HF/MF-Generators verschiedenste Temperaturprofile über das ganze Werkstückszu, was ermöglicht, den Verzug und die Verformung des Werkstücks zu verringern und auch erlaubt, den Härteverlauf über die Oberflächenschicht gleichmässiger zu halten. Weiterhin kann das Anlassen, d.h. das Wieder-Erweichen von gehärteten Werkstück- oder Oberflächenteilen durch die Wahl des induktiven Wärmeprofils, eventuell in Verbindung mit einer Kühlung, verhindert oder beeinflusst werden. Mit der Laservorrichtung wird dann auf der Oberfläche, die beispielsweise induktiv auf eine Temperatur von 800° C erwärmt sein kann, die Oberflächenschicht bei einer Temperatur von 1800° C aufgeschmolzen. Der HF/MF-Generator, der vorzugsweise im Frequenzbereich von 0.5 kHz bis 1 MHz im Leistungsbereich von 5 bis mehreren 10 kW Leistung arbeitet, hat als Heizung vor allem Tiefen- oder Volumenwirkung, während die dazu überlagerte Heizung mit der Laseranlage vor allem punktuelle Oberflächenwirkung hat, und zwar im Bereich der vorerwärmten Oberfläche, wo die eigentliche Oberflächenschicht bei nochmals erhöhter Temperatur durch Aufschmelzen von Fremdmaterial oder lediglich der obersten Schichten des zu beschichtenden Werkstücks erzeugt wird. Dabei kann beispielsweise das Schichtmaterial in Pulverform und mit Schutzgas als Fördermedium in den Bereich des auf die Oberfläche des Werkstücks auftretenden Laserstrahls geblasen werden. Dort wird das Pulver geschmolzen und mit dem möglichst dünnen und geringen, aufgeschmolzenen Teil der Werkstückoberfläche verschmolzen. Es lassen sich mit den neuen Verfahren beispielsweise dünne Oberflächenschichten im Dickenbereich von 0.2 - 0.4 mm erzeugen.
Um bestimmte Bereiche von Werkstücken nicht zu überhitzen und/oder in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten, können einzelne Bereiche des Werkstücks und/oder der Oberflächenschicht mit einer Kühleinrichtung, die z.B. mit Luft, Öl, Wasser oder einem anderen Kühlmittel arbeitet, gekühlt werden. Mit Kühlung ist es auch möglich, die Beschaffenheit der Oberflächenschicht eines Werkstücks verbessert konstant zu halten. Die Beschaffenheit einer Oberfläche ist in vielen Fällen von Abkühlvorgängen abhängig, welche mit einer Kühlvorrichtung besser und genauer eingehalten werden können. Mit der Kühlvorrichtung lassen sich sowohl das Überhitzen vermeiden, als auch der zeitliche Verlauf des Abkühlvorgangs verbessern, d.h. genauer einhalten.
Das Verfahren ermöglicht es, den Arbeitsbereich des Lasers dirkt ins Zentrum des HF-beheizten Bereichs oder in die Nähe des Zentrums zu legen. Darüberhinaus erlaubt die induktive Heizung, über relativ grosse Bereiche des Werkstücks eine weitgehend gleiche Temperatur, d.h. ein homogenes Temperaturfeld, zu erzeugen, was dazu beiträgt, dass die bei thermischer Bearbeitung auftretenden Eigenspannungen äusserst niedrig bleiben. Dies wiederum hat zur Folge, dass Deformationen des behandelten Werkstücks, das sogenannte Verziehen, klein oder praktisch ganz ausbleiben.
Bei dem Verfahren wird das mit der Oberflächenschicht zu versehende Werkstück oder Teile davon mit einer induktiven HF/MF-Generator-Heizung auf eine erste Temperatur erwärmt. Mit der Laservorrichtung werden Bereiche der zu behandelnden Oberfläche weiter erwärmt und die Oberflächenschicht auf dem Werkstück erzeugt. Die Vorrichtung umfasst die Laservorrichtung und die HF/MF-Heizung, die es erlauben, das Werkstück gleichzeitig mit beiden zu beeinflussen. Die Werkstücke mit nach dem Verfahren erzeugten Oberflächenschichten weisen eine erhöhte, d.h. verbesserte, Qualität auf, da das Verfahren ein deutlich verbessertes Einhalten des zeitlichen Temperaturverlaufs und auch der Temperaturverteilung im Werkstück erlaubt und ermöglicht.
Die Erfindung wird anhand der Figur, die ein Beispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zeigt, erläutert.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Haltevorrichtung für das Werkstück 10. Weiter umfasst die Vorrichtung einen HF-oder MF-Generator 2 (HF = Hochfrequenz; MF = Mittel-frequenz) mit einer Induktionsspule 20, die zusammen im wesentlichen die induktive Heizung bilden und eine Laserquelle 3 mit Umlenkspiegel 31 und Fokussieroptik 32 für den Laserstrahl 30.
Das Werkstück 10 kann, wie hier gezeigt, beispielsweise ein Ventil eines Verbrennungsmotors sein. Die Randbereiche 10˝ des Ventilkopfes 10′, welche den ringförmigen Dichtbereich im Ventilsitz bilden, sind mit einer Oberflächenschicht 101 zu versehen. Der Laserstrahl 30 wird mit Umlenkspiegeln 31 und Fokussieroptik 32 auf den Arbeitpunkt 30′ des zu beschichtenden Randbereichs 10˝ des Ventilkopfs 10′ fokussiert.
Eine Oberflächenschicht 101 beispielsweise kann durch reines Aufschmelzen und Umstrukturieren des Werkstoffs (Härten) von Bereichen des Ventilkopfs 10′ oder durch Aufbringen einer Schicht eines anderen Werkstoffs z.B. Stellit 6 erzeugt werde; z.B. kann der Stellit 6 in Pulverform mit Hilfe eines Pulverförderers 4 mit Pulverdüse 41, die den Pulverstrahl 40 erzeugt, zum Arbeitspunkt 30′ geblasen werden. Die Pulverförderung kann mit Argon, das gleichzeitig als Schutzgas wirkt, erfolgen.
Zum Beschichten von rotationssymmetrischen Werkstücken 10 und rotationssymmetrischen Oberflächenschichten 101 kann das Werkstück 10 mit einer Drehvorrichtung 100 gedreht werden. Es wäre auch möglich, den Arbeitspunkt 30′ des Laserstrahls 30, zusammen mit dem Pulverstrahl 40 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 zu bewegen. Weiter wäre es denkbar, alle vier, Werkstück 10, Laser- 30′ und Pulverstrahl 40, sowie Spule 20, oder einzelne, oder mehrere davon, zu bewegen. Dies könnte beispielsweise Vorteile bringen, wenn komplizierte Oberflächen-Schichtmuster auf Werkstücken mit komplizierten Konturen zu erzeugen sind.
In manchen Anwendungen wird die Qualität der Oberflächenschicht vom Einhalten genauer Temperaturgrenzen von Werkstück 10, und Oberflächenschicht 101 im Bereich des Arbeitspunktes 30′ des Laserstrahls 30 beeinflusst. Genauso kann der Abkühlvorgang für die Beschaffenheit und Eigenschaften der Oberflächenschicht und des beschichteten Werkstücks ausschlaggebend sein. Zu diesem Zwecke kann die Vorrichtung eine Steuer- und Regelvorrichtung 5 aufweisen, mit welcher die HF/MF-Heizleistung und auch die Leistung der Laservorrichtung gesteuert und geregelt werden kann. Als Steuergrössen sind im gezeigten Beispiel die beiden Temperatursensoren 51 und 52 vorgesehen, welche die Temperatur der Oberflächenschicht 101 im Bereich des Arbeitspunktes 30′ des Lasers 30 bzw. die Oberflächentemperatur des Ventilkopfs 10′ bestimmen. Die Steuer- und Regelvorrichtung 5 kann die Leistung von HF/MF- und/oder Laser-Heizquelle auf Sollwerte einstellen, die beispielsweise an den Temperatur-Sollwertgebern 53 vorgegeben sind.
Für das Einhalten besonderer Temperaturprofile am Werkstück 10 oder Teilen davon, z.B. am Ventilkopf 10′, kann beispielsweise eine Kühlvorrichtung 6 vorgesehen sein, die den Ventilkopf mit einem Kühlfluid-Strahl 60 von z.B. Luft, einem Schutzgas oder einer Flüssigkeit wie Wasser usw., kühlt. Die Temperaturen könnten auch damit geregelt, d.h. beeinflusst werden, dass die Drehgeschwindigkeit der Drehvorrichtung 100 für das Werkstück 10 und/oder der Kühlfluid-Strahl 60 verändert bzw. an- und abgeschaltet wird. Die Steuer- und Regelvorrichtung 5 kann in weiten Grenzen programmierbar sein, um je nach der herzustellenden Oberflächenschicht andere Oberflächen-Beschichtungsbedingungen zu schaffen. Die Vorrichtung kann auch so gebaut sein, dass sich die Induktionsspule, die Temperatursensoren, z.B. Strahlungspyrometer, die Lasereinrichtung mit dem Laserstrahl gegenüber dem Werkstück und/oder gegeneinander bewegen, das seinerseits ebenfalls bewegt wird. Der mögliche Signalfluss des Regel- und Steueranlage ist in der schematischen Figur mit Pfeilen angedeutet mit Alle diese Relativbewegungen können ebenfalls von der Regel- und Steuereinrichtung bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten (101) auf induktiv erwärmbaren Werkstücken (10, 10′, 10˝) bei welchen wenigstens der zu beschichtende Teil (10˝) des Werkstücks (10) induktiv in einem ersten Temperaturbereich erwärmt wird und die Oberflächenschicht (101) durch weiteres Erwärmen oder Aufschmelzen des induktiv erwärmten und zu beschichtenden Oberflächenbereichs (10˝) des Werkstücks mit Laserlicht (30, 30′) und Laserenergie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Oberflächenschicht (101) beim Aufschmelzen ein vom Werkstoff des Werkstücks (10, 10′, 10˝) verschiedenes Material (40) zum Bilden der Oberflächenschicht (101) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs des Werkstücks (10, 10′, 10˝) grösser ist als jener des Materials der Oberflächenschicht (101).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei welchem das Erzeugen der Oberfächenschicht (101) unter Schutzgas (40) erfolgt.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem HF/MF-Generator (2) und Übertragungsmitteln (20) zum induktiven Erwärmen des mit der Oberflächenschicht (101) zu beschichtenden Werkstücks (10, 10′, 10˝) in einen ersten Temperaturbereich, sowie mit einer Lasereinrichtung (3, 30, 30′, 31, 32) zum weiteren Erwärmen des zu beschichtenden Oberflächenbereichs (10˝) des Werkstücks (10, 10′, 10˝).
Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer Vorrichtung (4,41) für die Zufuhr von pulverförmigem oder drahtförmigem Werkstoff (40) für die Oberflächenschicht (101) in den mit der Lasereinrichtung (3,30,30′,31,32) aufgeschmolzenen Bereich der Oberfläche (10˝) des Werkstücks (10, 10′,10˝).
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 mit Mitteln (100) zum Bewegen des Werkstücks (10, 10′, 10˝) und/oder Mitteln (51, 52) zum Bestimmen der Temperatur des Werkstücks (10, 10′, 10˝) und/oder der Temperatur im lasererwärmten Bereich (30′, 10˝) der Oberflächenschicht (101) und/oder Mitteln (4, 41) zur Zufuhr von Schutzgas und/oder Mitteln (6, 60) zum Kühlen von Bereichen des Werkstücks (10, 10′, 10˝).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einer Regel- und Steuereinrichtung (5, 53) zum Steuern und/oder Regeln des HF/MF-Generators (2, 20) und/oder der Lasereinrichtung (3, 30, 30′, 31, 32) und/oder der Kühlvorrichtung (6, 60) und/oder deren Bewegung und/oder der Bewegung des zu beschichtenden Werkstücks (10, 10′, 10˝) und/oder der Lasereinrichtung (3, 30, 30′, 31, 32) , und/oder der Mittel (51, 52) zum Bestimmen der Temperatur und/oder der Bewegung von Teilen davon.
Werkstück (10, 10′, 10˝) mit nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellter Oberflächenschicht (101).
Werkstück (10, 10′, 10˝) mit Oberflächenschicht (101) nach Anspruch 9, bei welchem der thermische Ausdehnungskoeffizient der Oberflächenschicht (101) kleiner ist als derjenige des Werkstücks (10, 10′, 10˝).