[0001] 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.
[0002] 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 AlSi
7Cu
4Mg, 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.
[0003] Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen
aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen.
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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] Verschiedenste Einlegierungs-, Dispergierungs- und Auftragsstrukturen erzielt man
dadurch, daß ein Laserbrennpunkt oder Schmelzpunkt in einem vorbestimmten Muster über
die Innenfläche geführt wird.
[0015] Zweckmäßigerweise wird ein Laserbrennpunkt mit einer Vorschubgeschwindigkeit ≥ 4000
mm/min bewegt.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] Das Legierungspulver 20 setzt sich beispielsweise aus ein oder mehreren Komponenten
k
1, k
2, ....k
n zusammen. Der Schmelzpunkt der Matrix T
s(M) ist bei einer Einlegierung, bei der das Pulver vollständig aufgeschmolzen ist,
kleiner als der Schmelzpunkt des Grundwerkstoffes T
s(G), wobei T
s(M) = T
s(k
1,k
2, ... k
n + G) (siehe Fig. 1).
[0022] 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 k
1 des Legierungspulvers 20 nicht oder nur teilweise angeschmolzen wird und der Grundwerkstoff
10 ggf. zusammen mit angeschmolzenen Komponenten k
2,...k
n des Legierungspulvers 20 die metallische Matrix M der so gebildeten Schicht 22 bildet.
Die nicht angeschmolzene Komponente k
1 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.
[0023] 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 k
1 24 des Legierungspulvers 20 im Schmelzbad 18 nicht angeschmolzen wird. Die Matrix
M setzt sich hierbei lediglich aus den angeschmolzenen Komponenten k
2 des Legierungspulvers 20 zusammen mit dem Grundwerkstoff G 10 zusammen: M = k
2 + G. Hierbei ist die Energie des Laserstrahls 14 bzw. sind die Komponenten k des
Legierungspulvers derart gewählt, daß sich folgendes Relationen bezüglich jeweiliger
Schmelzpunkte T
s ergeben:

oder

[0024] Mit anderen Worten wird die Komponente k
1 im festen Aggregatzustand, ohne jemals aufgeschmolzen zu werden, in die Matrix M
eingebettet. Bedingt dadurch, daß eine oder mehrere Komponenten k
2...k
n 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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 T
s der nicht aufgeschmolzenen Komponente k
1 des Legierungspulvers, des Grundwerkstoffes G 10 und der übrigen Komponenten k
2 ... k
n 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 k
1 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.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0028]
- 10
- Grundwerkstoff
- 12
- Oberfläche
- 14
- Laserstrahl
- 16
- Vorschubrichtung
- 18
- Schmelzbad
- 20
- Legierungspulver
- 22
- erstarrter Bereich
- 24
- Komponente K1 des Legierungspulvers
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.