BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Oberflächenbeschichtungen aus Ni-, Co-, Cu- und/oder Fe-Basis-Legierungen auf einem Substrat, wobei zum Einschmelzen oder Sintern der Beschichtung ein Strahlenbündel von hoher Energie auf die beschichtete Oberfläche gerichtet wird und eine Relativbewegung zwischen dem Strahlenbündel und dem Substrat erfolgt.
Das Einschmelzen oder Sintern einer Beschichtung mit einem Strahlenbündel von hoher Energie, wie beispielsweise mit einem Laserstrahl, lässt sich unter den üblichen Bedingungen bei Beschichtungen aus Hartlegierungen nur bei Hartlegierungen mit einer Vickers-Härte bis zu etwa 400 Hv anwenden. Bei grösseren Härten treten im allgemeinen sehr starke innere Spannungen auf, die zur Rissbildung in der
Oberflächenbeschichtung führen.
Andere Verfahren der Wärmeeinbringung zum Einschmelzen oder Sintern haben sich insbesondere bei der Herstellung von grösseren Serien von Präzisionsteilen nicht bewährt, vor allem mangels genauer Begrenzung der Wärmebehandlung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auch Hartlegierungen von Härten über 150400 Hv ohne Gefahr einer Rissbildung verarbeitet werden können.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass im selben Arbeitsgang wie das Einschmelzen oder Sintern eine örtliche Vorwärmung und/oder Wärmenachbehandlung durch Einbringen von Induktionswärme vorgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ferner insbesondere eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochenergie-Strahlenbündels, eine Vorrichtung zur Halterung des Substrats und einen oder mehrere Induktoren aufweist, sowie mindestens eine steuerbare Bewegungseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Substrat, dem Strahlenbündel und dem bzw. den die Induktionswärme erzeugenden Induktoren.
Weitere Merkmale der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den Patentansprüchen 3 bis 17 beschrieben. Die Patentansprüche 18 bis 24 betreffen Anwendungen des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung zur Vorwärmung und zum Einschmelzen einer Oberflächenschicht auf einem rohrförmigen Körper,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur an einer Stelle der Beschichtung des Körpers von Fig. 1,
Fig. 3 eine Anordnung zum Einschmelzen und zur nachträglichen Wärmebehandlung einer flachen Oberflächenschicht,
Fig. 4 den Verlauf der Oberflächentemperatur bei der Behandlung nach Fig. 3 in analoger Darstellung wie in Fig. 2,
Fig. 5 eine weitere Anordnung zum Vorwärmen, Einschmelzen und Nachbehandeln einer flachen Oberflächenschicht,
Fig. 6 den Verlauf der Oberflächentemperatur bei einer Behandlung nach Fig. 5 in ähnlicher Darstellung wie in den Fig. 2 und 4,
Fig.
7 eine Anordnung zur Vorwärmung, zum Einschmelzen und zur zweistufigen Wärmenachbehandlung einer flachen Oberflächenschicht, und
Fig. 8 den Verlauf der Oberflächentemperatur bei einer Anordnung nach Fig. 7 in analoger Darstellung wie in den Fig. 2, 4 und 6.
Bei einer Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens gemäss dem Beispiel von Fig. 1 wird ein rohrförmiger Grundkörper aus Stahl des Typs CK 45, der mit einer Ober flächenschicht aus einer Legierung der Zusammensetzung von, in Gewichtsprozent 0,35 C, 0,2 bis 0,4 Si, 0,3 Mn, weniger als 0,001 S und P, Rest Fe versehen ist, wie folgt behandelt.
Der rohrförmige Körper 1 wird mit einer konstanten Vorschubsgeschwindigkeit in Axialrichtung gemäss dem Pfeil v bewegt und gleichzeitig mit ebenfalls konstanter Geschwindigkeit um seine Achse gedreht (Pfeil d). Ein ringförmiger Induktor 3, der an eine nicht dargestellte Speise- und Steuervorrichtung angeschlossen ist, umgibt den zu behandelnden Körper in einer Querschnittsebene desselben und ein schematisch angedeuteter Laserstrahl 4 trifft in einer Entfernung von etwa 20 mm davon, in Axialrichtung gemessen, auf die Oberflächenschicht 2 auf. Der Aussendurchmesser des Rohres 1,2 beträgt etwa 40 mm.
Betrachtet man einen Längenabschnitt des behandelten Körpers von etwa 100 mm zwischen den mit A und B bezeichneten Stellen, so ergibt sich für einen Punkt der Rohroberfläche der in Fig. 2 dargestellte Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Zeit. Durch den Induktor 3 wird die entsprechende Oberflächenstelle zunächst auf 300 "C vorgewärmt, wonach ein jäher Temperaturanstieg durch das Auftreffen des Laserstrahls erfolgt und eine Temperatur von 1030 "C erreicht wird. Nach dem Verlassen des Laserstrahlbereiches sinkt die Temperatur relativ rasch ab, wobei am Ende B der betrachteten Strecke noch eine Temperatur von etwa 150 "C herrscht.
Dieser Verlauf der Wärmebehandlung ist auf den hier verwendeten Beschichtungswerkstoff und das Grundmaterial abgestimmt und erlaubt es, durch die induktive Vorwärmung die inneren Spannungen so gering zu halten, dass keine Rissbildung auftritt.
Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen ein anderes Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein stabförmiger Grundkörper von rechteckigem Querschnitt, der aus Baustahl ST 37 besteht und auf einer Fläche mit einer Schicht aus einer Hartlegierung versehen ist, der nachstehend beschriebenen Wärmebehandlung unterzogen wird.
Die Schicht besteht aus einer Legierung von 0,3 C, 0,2 Mn, 0,1 Si, Rest Fe.
Während das Werkstück 5 mit seiner Schicht 6 in Pfeilrichtung v mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit in Längsrichtung bewegt wird, wird ein Laserstrahl 7 senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung über die Schicht 6 oszillierend hin- und hergeführt, wie dies in Fig. 3 durch den Pfeil q angedeutet ist. Die Oberflächenschicht wird dabei, wie in der Zeichnung angedeutet, in schmalen nebeneinanderliegenden bandförmigen Bereichen eingeschmolzen. Die Abkühlung der derart eingeschmolzenen Schicht wird daraufhin mit Hilfe eines Induktors 8, der flach ausgebildet und parallel zur Bewegungsrichtung des Werkstücks angeordnet ist, bestimmt. Es entsteht damit der in Fig. 4 gezeigte zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur im Bereich von C bis D des Werkstücks gemäss Fig. 3.
Ein bei etwa 1100 "C eingeschmolzener Oberflächenbereich kühlt durch die Wärmeeinbringung des Induktors 8 zunächst langsam auf etwa 600 "C ab und unterliegt daraufhin der normalen rascheren Abkühlung auf die Umgebungstemperatur.
Im Beispiel der Fig. 5, bei dem der in Fig. 6 dargestellte Temperaturverlauf erzielt wird, kommt sowohl eine Wärmevorbehandlung als auch eine Nachbehandlung im Anschluss an den Einschmelzvorgang zur Anwendung. Ein Grundkörper 9 aus Werkzeugstahl 13 Cr Mo 4 ist mit einer Oberflächenschicht 10 einer Legierung aus 0,3 C, 1,3 Cr, 0,4 Mo, 0,5 Mn, Rest Fe versehen worden und wird in der Wärmebehandlungsvorrichtung bewegt in Pfeilrichtung v. Ein Laserstrahl 11 wird ähnlich wie im vorhergehenden Beispiel quer zu dieser Vorschubsvorrichtung, d. h. in Pfeilrichtung q, oszillierend über die Oberfläche bewegt und bewirkt dabei ein bereichsweises Einschmelzen der Oberflächenschicht 10.
Fig. 5 zeigt die Anordnung eines flach ausgebildeten Induktors 12, der einen relativ breiten Bereich vor dem Laserstrahl überdeckt und eine Vorwärmung auf 350 "C entsprechend der ersten Stufe des Temperaturverlaufs nach Fig. 6 bewirkt. Nach dem Einschmelzvorgang, bei dem der entsprechende Oberflächenbereich auf 1050 "C gebracht wird, erfolgt eine durch einen ebenfalls flach ausgebildeten Induktor 13 kontrollierte Abkühlung in zwei aufeinanderfolgenden Phasen, wobei zunächst durch die Wärmeeinbringung des Induktors 13 eine Temperatur von 650 "C relativ langsam erreicht wird und danach die normale Abkühlung einsetzt. Der gezeigte Temperaturverlauf erstreckt sich über einen räumlichen Bereich E-F und eine Zeitspanne von ca. 600 sec.
Die Fig. 7 und 8 betreffen eine der vorstehenden ähnliche Anordnung, in der ein Grundkörper 14 aus einem Werkstoff der Bezeichnung X 10 Cr 13, der mit einer Oberflächen schicht 15 aus einer Legierung von 0,2 C, 14,0 Cr, 0,2 Mn, Rest Fe versehen ist, in Pfeilrichtung v bewegt wird und quer zu dieser Vorschubrichtung von einem hin- und hergeführten Laserstrahl 16 bestrichen wird. Ein flach ausgebildeter In duktor 17 bewirkt eine Vorwärmung der Oberfläche auf 400 "C, wonach einejähe Aufheizung auf 1120 "C durch den
Laserstrahl erfolgt. Im Anschluss daran findet eine zweistufi- ge Wärmenachbehandlung statt, und zwar mit Hilfe von flachen, räumlich aufeinanderfolgend angeordneten Induktoren 18 und 19, wie sie Fig.? zeigt.
Damit wird eine erste, relativ langsame Abkühlung auf 720 "C erreicht, der eine zweite, ebenfalls durch die Wärmeeinbringung des entsprechenden Induktors 19 kontrollierte langsame Abkühlung auf 610 C folgt, bevor die normale Abkühlung auf Umgebungstemperatur erfolgt, wie der Temperaturverlauf über den Bereich von G-H von Fig. 7 entsprechend einer Zeitdauer von über 1000 sec. in Fig. 8 zeigt.
Bei den vorstehend erwähnten Ausführungsbeispielen des Verfahrens werden einerseits das Werkstück und andererseits das Hochleistungsstrahlenbündel, beispielsweise ein Laseroder auch Elektronenstrahlenbündel, mit Hilfe von steuerbaren Bewegungseinrichtungen bewegt, während die Induktoren im allgemeinen fest angeordnet sind. Die Steuervorrichtungen für die verschiedenen Bewegungseinrichtungen sind vorzugsweise getrennt, sie können jedoch auch als eine gemeinsame Steuervorrichtung zur Erzielung eines geeigneten vorgegebenen Geschwindigkeitsverhältnisses ausgebildet sein.
Die Bewegungseinrichtungen werden im allgemeinen von der Temperatur des behandelten Bereiches gesteuert, wobei eine Einrichtung zur Messung der Infrarotstrahlung des behandelten Bereiches vorgesehen sein kann. Eine solche nicht dargestellte Einrichtung weist z. B. in bekannter Weise einen Lichtleiter zur Leitung der Infrarotstrahlung vom behandelten Bereich zur Messvorrichtung auf. Ferner wird vorzugsweise die Leistung der Induktoren in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Temperatur des behandelten Bereiches geregelt.
Die Steuerung der Bewegungsvorrichtungen kann bei be stimmten Anwendungen nach einem vorgegebenen Zeitschema erfolgen, um den gewünschten Ablauf der Wärmebehandlung zu erzielen.
Zumindest eine Komponente der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Strahlenbündel, sowie zwischen dem Werkstück und den Induktoren, kann mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen, jedoch können die beiden Relativbewegungen auch unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile aufweisen. Die Arbeitsfrequenz der Induktoren wird vorzugsweise automatisch geregelt und liegt im Bereich von 0,5-150 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1-100 kHz.
Die vorliegende Wärmebehandlung wird insbesondere für Beschichtungen aus Ni, Fe, und/oder Co-Basislegierungen eingesetzt, die Zusätze von Cr, Mo, W, B und/oder Si enthalten. Ferner können damit Beschichtungen aus Cu-Basislegierungen behandelt werden, die Zusätze von mindestens einem der Elemente Sn, Zn, Hg, Fg, Al, Ni, Si und B enthalten. Den Legierungen können ferner Hartstoffe zugesetzt sein.
Die Beschichtungen, die nach dem vorliegenden Verfahren wärmebehandelt werden, können durch thermisches Spritzen aufgebracht werden, doch können auch andere Auftragungsformen, z. B. durch Aufrieseln eines Legierungspulvers, durch Auflegen einer Folie aus gebundenen Legierungsteilchen oder durch Auftragen einer pastenförmigen Mischung eines Binders mit einem Legierungspulver, zur Anwendung kommen.
In allen Ausführungsvarianten des vorliegenden Verfahrens wird die Verwendung von Hartlegierungen zur Oberfiä- chenbeschichtung ermöglicht, und zwar bis zu Härtebereichen, in denen mit den üblichen Verfahren eine Rissbildung nicht zu vermeiden war.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method for the heat treatment of surface coatings made of Ni, Co, Cu and / or Fe-based alloys on a substrate, a beam of high energy being directed onto the coated surface for melting or sintering the coating and there is a relative movement between the beam and the substrate.
Melting or sintering a coating with a beam of high energy, such as a laser beam, can be used under the usual conditions for coatings made of hard alloys only for hard alloys with a Vickers hardness up to about 400 Hv. With greater hardness, very strong internal tensions generally occur, which lead to the formation of cracks in the
Lead surface coating.
Other methods of introducing heat for melting or sintering have not proven their worth, especially in the production of large series of precision parts, especially due to the lack of precise limitation of the heat treatment.
The object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, in which hard alloys of hardnesses above 150400 Hv can also be processed without the risk of cracking.
This is achieved according to the invention in that local preheating and / or post-heat treatment is carried out by introducing induction heat in the same operation as the melting or sintering.
The invention further relates in particular to a device for performing this method, which has a device for generating a high-energy beam, a device for holding the substrate and one or more inductors, and at least one controllable movement device for generating a relative movement between the substrate, the beam and the inductor (s) generating the induction heat.
Further features of the device according to the invention are described in claims 3 to 17. Claims 18 to 24 relate to applications of the method according to the present invention.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. Show it
1 shows an arrangement for preheating and melting a surface layer on a tubular body,
2 shows the course over time of the surface temperature at one point of the coating of the body from FIG. 1,
3 shows an arrangement for melting and for subsequent heat treatment of a flat surface layer,
4 shows the course of the surface temperature in the treatment according to FIG. 3 in an analogous representation as in FIG. 2,
5 shows a further arrangement for preheating, melting and post-treatment of a flat surface layer,
6 shows the course of the surface temperature in a treatment according to FIG. 5 in a representation similar to that in FIGS. 2 and 4,
Fig.
7 shows an arrangement for preheating, melting and for two-stage heat treatment of a flat surface layer, and
8 shows the course of the surface temperature in an arrangement according to FIG. 7 in an analogous representation as in FIGS. 2, 4 and 6.
When using the method according to the invention according to the example of FIG. 1, a tubular base body made of steel of the type CK 45, which has a surface layer made of an alloy of the composition of, in weight percent 0.35 C, 0.2 to 0.4 Si, 0.3 Mn, less than 0.001 S and P, balance Fe is treated as follows.
The tubular body 1 is moved at a constant feed speed in the axial direction according to the arrow v and at the same time rotated about its axis at a constant speed (arrow d). A ring-shaped inductor 3, which is connected to a feed and control device (not shown), surrounds the body to be treated in a cross-sectional plane thereof, and a schematically indicated laser beam 4 strikes the surface layer 2 at a distance of approximately 20 mm, measured in the axial direction on. The outer diameter of the tube 1.2 is approximately 40 mm.
If one considers a length section of the treated body of approximately 100 mm between the locations designated with A and B, the temperature profile shown in FIG. 2 results as a function of time for a point on the tube surface. The corresponding surface area is first preheated to 300 ° C. by the inductor 3, after which an abrupt rise in temperature occurs due to the impact of the laser beam and a temperature of 1030 ° C. is reached. After leaving the laser beam area, the temperature drops relatively quickly, and at the end B of the distance under consideration there is still a temperature of approximately 150 ° C.
This course of the heat treatment is matched to the coating material and the base material used here and allows the internal stresses to be kept so low by the inductive preheating that no cracking occurs.
3 and 4 illustrate another exemplary embodiment of the present method, in which a rod-shaped basic body of rectangular cross section, which consists of structural steel ST 37 and is provided on one surface with a layer of a hard alloy, is subjected to the heat treatment described below.
The layer consists of an alloy of 0.3 C, 0.2 Mn, 0.1 Si, balance Fe.
While the workpiece 5 is moved with its layer 6 in the direction of arrow v at a constant feed rate in the longitudinal direction, a laser beam 7 is oscillated back and forth across the layer 6 perpendicular to this direction of movement, as indicated by the arrow q in FIG. 3 . As indicated in the drawing, the surface layer is melted in narrow band-shaped areas lying next to one another. The cooling of the melted-down layer in this way is then determined with the aid of an inductor 8, which is of flat design and is arranged parallel to the direction of movement of the workpiece. This results in the time profile of the surface temperature shown in FIG. 4 in the range from C to D of the workpiece according to FIG. 3.
A surface area melted in at around 1100 ° C. initially cools slowly to around 600 ° C. through the introduction of heat from the inductor 8 and is then subject to the normal, more rapid cooling to the ambient temperature.
In the example in FIG. 5, in which the temperature curve shown in FIG. 6 is achieved, both a heat pretreatment and an aftertreatment are used following the melting process. A base body 9 made of tool steel 13 Cr Mo 4 has been provided with a surface layer 10 of an alloy of 0.3 C, 1.3 Cr, 0.4 Mo, 0.5 Mn, rest Fe and is moved in the heat treatment device in the direction of the arrow v . A laser beam 11 is scanned across this feed device, e.g. H. Moves in the direction of the arrow q, oscillating over the surface, thereby causing the surface layer 10 to melt in regions.
Fig. 5 shows the arrangement of a flat inductor 12, which covers a relatively wide area in front of the laser beam and causes preheating to 350 ° C. corresponding to the first stage of the temperature profile according to Fig. 6. After the melting process, in which the corresponding surface area is open 1050 "C, controlled by a likewise flat inductor 13, cooling takes place in two successive phases, the temperature of 650" C first being reached relatively slowly by the introduction of heat from the inductor 13 and then normal cooling commencing. The temperature curve shown extends over a spatial area EF and a time span of approx. 600 sec.
7 and 8 relate to an arrangement similar to the above, in which a base body 14 made of a material called X 10 Cr 13, which has a surface layer 15 made of an alloy of 0.2 C, 14.0 Cr, 0, 2 Mn, rest Fe is provided, is moved in the direction of arrow v and is swept transversely to this direction of advance by a reciprocating laser beam 16. A flat trained In ductor 17 preheats the surface to 400 "C, after which a sudden heating to 1120" C by the
Laser beam takes place. This is followed by a two-stage post-heat treatment, with the aid of flat inductors 18 and 19 arranged spatially in succession, as shown in FIG. shows.
This achieves a first, relatively slow cooling to 720 ° C., which is followed by a second slow cooling to 610 ° C., also controlled by the heat input of the corresponding inductor 19, before normal cooling to ambient temperature takes place, such as the temperature profile over the range of GH of FIG. 7 corresponding to a time period of over 1000 seconds in FIG. 8.
In the above-mentioned exemplary embodiments of the method, on the one hand the workpiece and on the other hand the high-power beam, for example a laser or also electron beam, are moved with the aid of controllable movement devices, while the inductors are generally arranged in a fixed manner. The control devices for the various movement devices are preferably separate, but they can also be designed as a common control device to achieve a suitable predetermined speed ratio.
The movement devices are generally controlled by the temperature of the treated area, and a device for measuring the infrared radiation of the treated area can be provided. Such a device, not shown, has, for. B. in a known manner on a light guide for guiding the infrared radiation from the treated area to the measuring device. Furthermore, the power of the inductors is preferably regulated in a known manner as a function of the temperature of the treated area.
In certain applications, the movement devices can be controlled according to a predetermined time schedule in order to achieve the desired course of the heat treatment.
At least one component of the relative movement between the workpiece and the beam, as well as between the workpiece and the inductors, can take place at the same speed, but the two relative movements can also have different speed profiles. The working frequency of the inductors is preferably regulated automatically and is in the range of 0.5-150 kHz, preferably in the range of 1-100 kHz.
The present heat treatment is used in particular for coatings made of Ni, Fe and / or Co-based alloys which contain additions of Cr, Mo, W, B and / or Si. It can also be used to treat coatings made of Cu-based alloys that contain additions of at least one of the elements Sn, Zn, Hg, Fg, Al, Ni, Si and B. Hard materials can also be added to the alloys.
The coatings that are heat treated by the present method can be applied by thermal spraying, but other forms of application, e.g. B. by sprinkling an alloy powder, by placing a film of bound alloy particles or by applying a pasty mixture of a binder with an alloy powder, are used.
In all variants of the present method, the use of hard alloys for surface coating is made possible, up to hardness areas in which cracking could not be avoided with the usual methods.