CH618468A5

CH618468A5 - Process for surface-alloying of a substrate metal, and product of the process.

Info

Publication number: CH618468A5
Application number: CH1709474A
Authority: CH
Inventors: Daniel Santhamurthi Gnanamuthu; Edward Valentine Locke
Original assignee: Avco Everett Res Lab Inc
Priority date: 1974-01-07
Filing date: 1974-12-20
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2458856C2; SE7415173L; GB1457835A; IL46078A0; JPS50101254A; JPS6011094B2; FR2256962B1; IT1026953B; FR2256962A1; IL46078A; DE2458856A1; CA1035675A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenlegieren eines Substratmetalls, vorzugsweise Stahl oder Gusseisen, sowie ein Erzeugnis des Verfahrens.

Verfahren der genannten Art sind etwa aus den US-Patent-schriften Nr. 1 986 704,3 310 423 und 3 493 713 sowie aus der französischen Patentschrift 2 059 732 bekannt. Bei den auf bekannte Art gebildeten Oberflächenschichten handelt es sich jeweils um solche, deren Verbindung mit dem Substrat sich auf eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Belegung beschränkt. Die erwähnten Verfahren führen demnach zu einer zweischichtigen Oberflächenstruktur des Substrats bestehend einerseits aus der unlegierten Belegung selbst und anderseits aus der die Verbindung zum Substrat herstellenden Zwischenschicht. Die Bildung einer solchen Struktur ist unerwünscht und soll mit dem erfindungsgemässen Verfahren verhindert werden.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die Oberflächenschicht eines Substrats in eine Form zu überführen, die einen wesentlichen Anteil des Substrats als getrennte und unterschiedliche Phase und/oder als Bestandteil einer neugebildeten Verbindung enthält.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass auf die Metalloberfläche eine Schicht aus einer oder mehreren Legierungskomponenten aufgebracht und diese entlang eines abschnittsweise geradlinigen Bearbeitungspfades am Strahl einer kontinuierlich angeregten Laserquelle vorbeigeführt wird, dessen Leistungsdichte zwischen 8 und 1600 kW/cm2 liegt und der im Zusammenwirken mit der Verschiebungsgeschwindigkeit die Schicht sowie einen vorbestimmten Tiefenbereich des darunter befindlichen Metalls entlang eines geradlinigen Bearbeitungspfades zum Schmelzen bringt, miteinander mischt und sich wieder verfestigen lässt, wodurch entlang dieses Pfades eine Legierungsschicht der vorbestimmten Tiefe entsteht, welche über ihre ganze Dicke sowie gleichmässig über die ganze behandelte Oberfläche eine Zusammensetzung und Eigenschaften aufweist, die sich von derjenigen des darunter befindlichen Substratmetalls unterscheiden.

Das so entstehende, erfindungsgemässe Erzeugnis ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einer Metallegierungsschicht versehen ist, deren Hauptkomponente aus dem Substrat stammt, wobei die Schicht über ihre ganze Dicke die für Schmelzen und plötzliches Wiederhärten von Metall charakteristische Struktur aufweist und härter ist als das Substrat sowie bei vorgegebener Schichttiefe eine über den behandelten Flächenbereich gleichbleibende Zusammensetzung aufweist.

Die Erfindung soll nun anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert werden.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Substrats in Blechform in einem führenden Zustand der Oberflächenmodifikation;

Fig. 2 ist eine ähnliche Schnittansicht des Teiles nach beendeter Oberflächenmodifikation;

Fig. 3 ist eine Skizze einer vorzugsweise angewandten apparativen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 und 5 sind isometrische Ansichten von Teilen, die einer Oberflächenmodifikation unterzogen werden;

Fig. 6 und 6A ... 6D sind Mikrophotographien von Schnitten eines der Oberflächenmodifikation unterworfenen Substrats;

Fig. 7,8,9,11,12, 15 und 17 sind Kurven der Konzentration als Funktion der Schichttiefe für Minoritätsbestandteile in der Oberflächenschicht von Werkstücken, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt werden;

Fig. 10,13, 14, 16,18 und 19 sind Kurven der Härte als Funktion der Schichttiefe für Oberflächenschichten von Werkstücken, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt wurden.

Die Fig. 1 zeigt als Substrat ein Metallteil 10, beispielsweise ein Walzerzeugnis wie Stahlblech oder ein Produktionsteil wie einen Ventilsitz aus Stahl. Um die Abnutzungsfestigkeit der Oberfläche zu erhöhen, ist es mit einer Schicht von Minoritätsbestandteilen (beispielsweise Chrom und Mangan) versehen, um die Oberflächenschicht zu einem hochlegierten Material zu verwandeln. Unter der Oberfläche wird eine vorbestimmte Tiefenlinie 16 festgelegt, die die Oberflächenschicht sowie einen Anteil des Substratmaterials definiert, der zusammen mit dem Überzug 12 aus Minoritätsbestandteilen die gewünschte Legierung ergibt. Auf das Substratteil kann eine energieabsorbierende Schicht 14 als Unterlage für den Über5

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zug 12 aufgebracht oder diesem zugemischt werden. Aus einem Lasergerät wird ein Energiestrahl 18 aufgebracht, der eine Schmelzzone 19 bis hinunter zur Tiefenlinie 16 erzeugt. Durch Gegeneinanderbewegen des Substrats 10 und des Strahls 18 wird die Schmelzzone je nach Wunsch linear kontinuierlich oder in Sprüngen verschoben und ergibt so in zeitlicher Aufeinanderfolge eine Gruppenanordnung, derartiger Schmelzflächenteile. Während an irgendeinem Punkt eine Schmelzzone 19 vorliegt, findet eine sehr schnelle Wärmeübertragung aus dieser zu dem von dem Substratteil 10 gebildeten sehr grossen Kühlkörper statt; sobald der auftreffende Strahl 18 die Schmelzzone verlässt, kühlt sie sich ab und erstarrt.

Zur Behandlung von Metallen lässt man vorzugsweise einen Laserstrahl von 5 ... 20 kW, der zu einem Kreis von 0,635 ... 17,78 mm (0,025 ... 0,7 in.) Durchmesser oder einer flächenmässig gleichwertigen Kontur fokussiert ist, (was eine Leistungsdichte zwischen 8 und 1600 kW/cm2 ergibt), die zu modifizierende Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von 0,127... 1,27 m/min (5 ... 50 in./min) überstreichen. Ein vorgegebener Bereich der Oberflächenschicht bleibt dabei typischerweise 0,1... 1,5 sec im geschmolzenen Zustand und kühlt sich typischerweise innerhalb von 0,1... 1,5 sec auf eine unterhalb des Soliduspunktes für die entsprechende Legierung liegende Temperatur ab. Während des Schmelzens bewirken bereits die Wärmegradienten ein erhebliches Vermischen der Minoritätsbestandteile des Überzugs mit dem geschmolzenen Oberflächenschichtanteil. Es wird vermutet, dass zusätzlich die hohe aufgebrachte Energie eine Druckwelle verursacht, die die Bestandteile zusätzlich kräftig durchmischt. Das Vermischen kann weiter gefördert werden, indem man den Auftreffpunkt der Energie örtlich ausschwingen lässt, wie es unten unter Bezug auf die Fig. 4 und 5 ausgeführt ist.

Bei vorgewärmtem Substrat sind höhere Behandlungsgeschwindigkeiten möglich; vgl. das Beispiel 7.

Die Fig. 2 zeigt ein Substratteil 10 mit gehärteter Oberflä-chenschicht 20 und einer Grenzschicht 22. Die Dicke der Schicht 20 stimmt im wesentlichen mit der vorbestimmten Tiefenlinie 16 (Fig. 1) überein.

Die Fig. 3 zeigt eine apparative Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Das Werkstück 10 wird dabei auf einen herkömmlichen Frästisch aufgespannt, der mit Führungen und Steuereinrichtungen versehen ist, die es gestatten, das Werkstück, in rechtwinklig zueinanderliegen-den Richtungen zu verschieben, wie es die Doppelpfeile 11 und 13 andeuten. Die x- und die y-Bewegung können gleichzeitig oder eine von ihnen intermittierend stattfinden.

Der Energiestrahl 18 für die oben unter Bezug auf die Fig. 1 beschriebene Behandlung wird von einem Laser 30 geliefert. Bei diesem kann es sich um eine Ausführung entsprechend den US-PS 3 721 915,3 702 973,3 577 096 und 3 713 030 handeln. Der Laser 30 arbeitet in der Fig. 3 auf einem Strahlteiler 31, der es gestattet, den Strahl über einen oder mehrere Strahlleiter 36 auf mehrere Anwendungspunkte aufzuteilen, wobei man in Zeitteilung, d.h. zeitlich aufeinanderfolgender Anwendung an mehreren Punkten arbeitet, indem man Kippspiegelanordnungen und drehbare Strahlunterbrecherscheiben einsetzt. Wie bei 38 angedeutet, kann eine einstellbare Spiegelanordnung vorgesehen werden, die den Laserstrahl aus der Optik aufnimmt und ihn ergänzend zur oder anstatt der Verschiebung des Werkstücks auf dem Tisch 39 auslenkt und gleichzeitig schwingen lässt, wie es unten unter Bezug auf die Fig. 5 beschrieben ist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen in isometrischer Darstellung ein Werkstück 10, das unter Einsatz der Vorrichtung der Fig. 3 nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt wird; das Werkstück ist mit dem Überzug 12/14 versehen, wie er unter Bezug auf die Fig. 1 beschrieben ist. Das Werkstück wird in einer durch den Pfeil 11A in Fig. 4 und den Pfeil 118 in Fig. 5 angedeuteten Längsrichtung und gleichzeitig intermittierend entsprechend dem Pfeil 13 in den Fig. 4 und 5 bewegt, um eine Reihe nebeneinanderliegender Linien herzustellen.

Eine der Strahlleitungen 36 ist an eine Optikeinheit 37 angeschlossen, wo der Laserstrahl zur Erwärmung des Substrats geformt wird.

Während des Rücklaufs wird der Strahl abgeschaltet oder bearbeitet während des Hinlaufs einerseits und des Rücklaufs anderseits nebeneinanderliegende Teilflächen. Weiterhin kann man den Strahl so schalten, dass er bestimmte Oberflä-chenteile des Überzugs 12/24 überspringt, um ein gewünschtes Muster aus harten und nicht harten Oberflächenbereichen herzustellen.

Die mit den Pfeilen 11A und 11B in Fig. 4 und 5 angedeuteten Bewegungen finden typischerweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 m/min (etwa 20 in./min) statt. Der Bewegung kann nach Fig. 5 jedoch ein örtliches seitliches Ausschwingen überlagert sein, wie es durch die Wellenform 1 IC über dem Pfeil IIB angedeutet ist. Die Grösse des Arbeitsflecks fällt in der in Fig. 4 gezeigten ersten Betriebsart typischerweise mit der vollen Breite der Linien 20A zusammen und kann in der zweiten Arbeitsweise der Fig. 5 erheblich geringer als die volle Breite der Linie 20B sein; im letzteren Fall bewirken die Ausschwingungen des Arbeitsflecks relativ zur Oberfläche des Teiles 10 die Abdeckung der gesamten Linienbreite, während der gleichen Oberflächenzone wiederholt Energiestösse zugeführt werden, und dadurch eine erheblich bessere Durchmischung der geschmolzenen Oberflächenschicht des Teiles 10 mit dem örtlich geschmolzenen Teil des Überzugs 12 stattfindet. Derartige Gradienten lassen sich auch erreichen, wenn der Strahl auf die Breite der Linie 20B fokussiert ist, indem man die Querschnittskontur des Strahls fortwährend ändert, beispielsweise von einer geradlinigen auf eine Kreis- oder von einer Kreis- auf eine Sternform. Zusätzlich zu den oder anstelle der seitlichen Schwingungen des Strahlpunktes können diesem Längsschwingungen erteilt werden.

Die Durchführung der Erfindung soll nun anhand der folgenden Arbeitsbeispiele weiter erläutert werden, die die Erfindung jedoch nicht beschränken.

Beispiel 1

Auf die Oberfläche von Metallerzeugnissen wurden Metallpulvermischungen aufgesprüht. Diese beschichteten Oberflächen wurden dann mit einem Hochleistungslaser bestrichen, der die Oberfläche und das Pulver schmolz und gleichmässig miteinander legierte. Auf diese Weise liess sich eine erhebliche Erhöhung der Oberflächenhärte erreichen. In einem Test wurde die Oberfläche Stahl nach AISIC 1018 nach einem herkömmlichen Manganphosphatierverfahren mit einer 6,35 ... 12,7 |x (1/4 ... 1/2 mil) dicken Schicht von Manganphosphat versehen.

Diese Gegebenenfallsmassnahme einer Beschichtung mit Manganphosphat bewirkt eine bessere Absorption des Laserstrahls. Andere einsetzbare wärmeabsorbierende Substanzen sind Zinkphosphat, Aluminiumoxid und Russ. Die Wahl hängt auch von der eingesetzten Wellenlänge der Wärmequelle ab. Sodann wurde eine Mischung aus 6 g Kohlenpulver (Teilchengrösse 45 jx), 3 g Chrompulver (10 ja) und 3 g Manganpulver (45 (j.) in 40 ml Isopropylalkohol gleichmässig auf den Manganphosphatüberzug aufgesprüht. Die Dicke der lok-ker gepackten Metallpulverschicht betrug 12,7 |i (1/2 mil). Sodann wurde die Oberfläche des Stahls mit der Metallpulververmischung bei einer Relativgeschwindigkeit von 0,5 m/min (20 in./min) mit einem örtlich ausschwingenden Laserstrahl von 11 ... 11,5 kW bestrichen, wobei der Laserstrahl eine

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Rechteckkontur von 2,54 x 12,7 mm (0,1 x 0,5 in.) hatte und die lange Dimension senkrecht zur Bewegungsrichtung lag, da in dieser Richtung die örtliche Auslenkung zur Abdeckung der gesamten Linienbreite (20B, Fig. 5) stattfand. Die Leistungsdichte des Laserstrahls betrug daher 34,1... 35,6 kW/cm2. Die Schwingungsfrequenz betrug 690 Hz. Unter diesen Bedingungen schmolz die Stahloberfläche und legierte sich gleichmässig mit dem Kohlenstoff-, Chrom- und Manganpulver. Nach dem Schmelzen und Wiedererstarren betrug die Härte bis in eine Tiefe von 0,127 mm (5 mil) mehr als Rockwell C 58, während der Stahl eine Rockwell-Härte von B 93 hatte.

Die Fig. 6 ist eine Mikrophotographie eines entsprechend dem Beispiel 1 behandelten Werkstücks bei einer Vergrösse-rung von 200mal, während die Fig. 6A, 6B, 6C und 6D mit dem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrösserung von 3500mal aufgenommene Photographien bei Tiefen von 51 p. (2 mil), 76 p. (3 mil), 102 |i (4 mil) bzw. 127 (i (5 mil) Tiefe unter der Oberfläche des Werkstücks im in der Fig. 6 gezeigten Bereich darstellen.

In der Fig. 6 ist das unbeeinflusste Substrat mit 10, die legierte Oberflächenschicht mit 20 und die Zwischenschicht, die innere Grenze zwischen der Oberflächenschicht 20 und dem Substrat 10, mit 22 bezeichnet. Die Schicht 20 hat ein feineres Korngefüge als das Substrat. Die Fig. 6A... 6D erweisen in der Schicht 20 eine zweiphasige Struktur aus martensitischen Dendriten, die in den Bereichen zwischen den Dendriten von Carbiden umgeben sind.

Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen die Konzentrationen von Minoritätsbestandteilen im Enderzeugnis für Kohlenstoff, Chrom bzw. Mangan, wie sie sich durch die Behandlung entsprechend dem Beispiel 1 ergeben. Die Kurven der Fig. 7, 8 und 9 sind dabei Diagramme der Konzentrationen der angegebenen Legierungsbestandteile in Abhängigkeit von der Einsatztiefe. Nach üblicher Praxis sind diese Kurven den ursprünglichen Datenpunkten angepasst. Sie zeigen eine Zunahme der Minoritätsanteile in der Eisenlegierung. Der abfallende Kurventeil 93 der Kurve 91 (Fig. 9) beruht auf der Verflüchtigung des Mangans an der Oberfläche; ohne dieses Verflüchtigen würde dieser Kurventeil dem gestrichelten Teil 95 entsprechen. Ist die Einsatztiefe wesentlich grösser (vgl. Beispiel 7), prägt sich der Oberflächeneffekt weniger stark aus.

Die Fig. 10 zeigt Härteprofile des Endproduktes nach der Laserbearbeitung mit örtlichem Ausschwingen. Die Schmelzzone hatte eine Tiefe von 0,127 mm (5 mil) und in ihr betrug die Rockwell-Härte C 58 bis C 63, während die Rockwell-Här-ten für die wärmebeeinflusste Zone des Stahls B 90 und im Stahlkern B 93 betrug. Die Tiefe der wärmebeeinflussten Zone betrug etwa 1,27 mm (0,05 in.).

Beispiel 2

Ein Blech aus Stahl nach AISIC 1018 wurde nach einem herkömmlichen Manganphosphatierverfahren mit einer 6,35 ... 12,7 |i (1/4 ... 1/2 mil) dicken Manganphosphatschicht versehen und auf diese Manganphosphatschicht ein kleiner Anteil einer Mischung aus 10 g Aluminiumpulver von 45 p. Teilchengrösse in 50 ml Isopropylalkohol gleichmässig aufgestrichen, um der Gasentwicklung während des Schmelzens entgegenzuwirken. Sodann wurde eine Mischung aus 12 g Kohlepulver (45 ja), 6 g Chrompulver (10 fi) und 6 g Manganpulver (45 fi) in 40 ml Isopropylalkohol 20mal gleichmässig auf den Aluminiumpulverüberzug aufgesprüht; die Dicke der lockeren Metallpulverschicht betrug dann 0,38 ... 0,51 mm (15 ... 20 mil).

Die beschichtete Oberfläche wurde sodann auf die unter Bezug auf die Fig. 4 und 5 erläuterte Weise in getrennten Proben laserbehandelt. Das heisst, dass die Oberfläche einer Probe durch Schmelzen bis zu einer begrenzten Tiefe zum Vermischen der Minoritätsbestandteile einer Legierung mit dem vom Substrat abgeleiteten Hauptbestandteil ohne örtliches Ausschwingen gehärtet wurden. In beiden Fällen betrug die Schmelzzeit für eine gegebene Flächengrösse 0,3 sec und die Laserleistung 13 ... 14 kW. Beim Arbeiten ohne örtliches Ausschwingen betrug die Bewegungsgeschwindigkeit 1,27 m/min (50 in./min), beim Arbeiten mit örtlichem Ausschwingen 0,51 m/min (20 in./min). In beiden Fällen betrug die zum Schmelzen aufgebrachte Leistungsdichte 38,75 ... 46,5 kW/ cm2 (250 ... 300 kW/sq.in.) der Oberfläche des Werkstücks. Beim Arbeiten ohne örtliches Ausschwingen betrug die Grösse des auftreffenden Laserstrahls 6,35 mm (0,25 in.), beim Arbeiten mit örtlichem Ausschwingen 2,54 x 12,7 mm (0,1 x 0,5 in.) in einer Rechteckgestalt, die quer zur Bewegungsrichtung gestreckt war, da das örtliche Ausschwingen in dieser Richtung stattfand, um die gesamte Linienbreite zu überstreichen (208, Fig. 5). Die Schwingungsfrequenz betrug 690 Hz.

Die Fig. 11 und 12 zeigen Tiefenprofile der Minoritätsbestandteile im fertigen Produkt, d.h. für Chrom und Mangan. Die oberen Kurven für Chrom und Mangan wurden mit, die unteren Kurven ohne örtliches Ausschwingen erhalten.

Die Fig. 13 zeigt Härteprofile in verschiedenen Endprodukten, die mit bzw. ohne örtliche Ausschwingung des Laserstrahls behandelt wurden. Ohne örtliches Ausschwingen ergaben sich Rockwell-Härten zwischen C 27 und C 44, mit örtlichem Ausschwingen Rockwell-Härtewerte zwischen C 46 und C 58, und zwar in beiden Fällen bis zu einer Tiefe von fast 0,762 mm (0,03 in.). Die Kernstahlhärte betrug dabei Rockwell B 93, die Härte der wärmebeeinflussten Zone Rockwell B 90. Die wärmebeeinflusste Zone hatte dabei eine Tiefe von etwa 1,27 mm (0,05 in.).

Beispiel 3

Die Oberfläche eines Stahlblechs nach AISI C 1018 wurde nach einem herkömmlichen Manganphosphatierungsverfah-ren 6,35 ... 12,7 |x (1 /4 ... 1 /2 mil) dick mit Manganphosphat beschichtet, ein kleiner Teil einer Mischung von 10 g Aluminiumpulver (45 |a Teilchengrösse) in 50 ml Isopropylalkohol gleichmässig auf die Manganphosphatschicht aufgestrichen, um einer Gasentwicklung während des Schmelzens entgegenzuwirken und dann eine Mischung aus 12 g Kohlepulver (45 |i), 20 g Chrompulver (10 p.) und 8 g Wolframpulver (45 ji) in Isopropylalkohol 20mal gleichmässig auf den Aluminiumpulverüberzug aufgesprüht; die Dicke des lockeren Metallpulverüberzugs betrug 0,635 ... 0,762 mm (25 ... 30 mil). Die Oberfläche des Stahlblechs mit der Metallpulvermischung wurde bei 0,254 m/min (10 in./min) von einem örtlich ausschwingenden 12 kW-Laserstrahl bestrichen, dessen Strahl-grösse von 2,54 x 12,7 mm (0,1 x 0,5 in.) betrug, wobei die lange Abmessung quer zur Bewegungsrichtung verläuft, da das örtliche Ausschwingen in dieser Richtung stattfand. Die Leistungsdichte des Laserstrahls betrug damit 37,2 kW/cm2. Die Schwingungsfrequenz betrug 690 Hz. Die geschmolzene und wieder erstarrte Stahloberfläche erwies sich als innig mit dem Kohlenstoff, Chrom, Wolfram und Aluminium legiert.

Die Fig. 14 zeigt das Härteprofil des Endproduktes nach der Laserbehandlung unter örtlichem Ausschwingen, wie oben beschrieben. Die Schmelzzone war 1,12 mm (44 mil) tief; in dieser Zone wurde eine Rockwell-Härte von C 48 bis C 53 gemessen, während die Rockwell-Härte des Kernstahls B 93 und der wärmebeeinflussten Zone B 90 betrug. Diese wärmebeeinflusste Zone hatte eine Tiefe von etwa 3,05 mm (0,12 in.).

Beispiel 4

Die Oberfläche eines Graugussteiles mit etwa 0,2 Gew.-% Chromanteil wurde mit einer 6,35 ... 12,7 [i (1/4... 1/2 mil) dicken Manganphosphatschicht nach einem herkömmlichen Manganphosphatierungsverfahren beschichtet, dann eine Mischung von 5 g Chrompulver (10 p, Teilchengrösse) in 40 ml

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Isopropylalkohol lOmal gleichmässig auf den Manganphosphatüberzug aufgesprüht; die Dicke der lockeren Metallpulverschicht betrug 12,7 ... 25,4 p, (1/2 ... 1 mil). Die Oberfläche des Graugussteiles mit dem Chrompulver wurde bei 0,76 m/min (30 in./min) mit einem örtlich ausschwingenden Laserstrahl von 11 kW bestrichen. Die Strahlgrösse betrug 2,54 x 12,7 mm (0,1 x 0,5 in.) in Rechteckform und bei senkrecht zur Bewegungsrichtung liegender langer Abmessung, da in dieser Richtung das örtliche Ausschwingen stattfand. Die Leistungsdichte des Laserstrahls betrug damit 34,1 kW/cm2. Die Schwingungsfrequenz betrug 690 Hz. Auf diese Weise wurde die Oberfläche des Graugussteiles geschmolzen und innig mit dem Chrompulver legiert.

Die Fig. 15 zeigt die Minoritätskonzentration für Chrom im fertigen Produkt. Die Kurve ist nach herkömmlicher statischer Praxis an die ursprünglichen Messpunkte angepasst. Sie zeigt eine Konzentrationszunahme des Chroms in der 0,254 mm (10 mil) tiefen Schmelzzone.

Fig. 16 zeigt Härteprofile des Endproduktes nach Laserbearbeitung mit örtlichem Ausschwingen. In der Schmelzzone betrug die Rockwell-Härte C 60 bis C 65, während die Rock-well-Härten für denjenigen Teil des Gussstücks, der nicht laserbehandelt war, B 95 betrug. Die Rockwell-Härte der wärmebeeinflussten Zone betrug C 56 bis C 61.

Beispiel 5

Die Oberfläche eines Stahlblechs nach AISI 4815 wurde nach einem herkömmlichen Manganphosphatierungsverfah-renmit einer 6,35 ... 12,7 (i (1/4 ... 1/2 mil) dicken Manganphosphatschicht versehen, danach Chrompulver von 10 |x Korngrösse gleichmässig auf den Manganphosphatüberzug aufgestreut und stark verdichtet. Die Tiefe der dichten Chrompulverschicht betrug etwa 0,635 mm (0,025 in.). Danach wurde Kohlepulver von 45 |i Teilchengrösse gleichmässig auf die Chrompulverschicht aufgestreut und dann stark verdichtet; die Tiefe der verdichteten Kohlepulverschicht betrug etwa 0,254 mm (0,01 in.). Die Stahlplatte mit dem Kohle-und dem Chrompulver wurde dann auf 482°C (900°F) vorgewärmt und die Oberfläche dann bei 0,23 m/min (9 in./min) mit einem örtlich ausschwingenden 14 kW-Laserstrahl bestrichen, wobei ein Schutzgasschirm aus 0,193 m3/h (7 cu.ft./h) Argon und 0,057 mVh (2 cu.ft./h) Wasserstoff eingesetzt wurde. Die Grösse des Laserstrahls betrug 2,54 x 12,7 mm (0,1 x 0,5 in.) in einer Rechteckform bei senkrecht zur Bewegungsrichtung liegender langer Abmessung, denn die örtlichen Schwingungen fanden in dieser Richtung statt. Die Leistungsdichte des Laserstrahls betrug damit 43,4 kW/cm2. Die Schwingungsfrequenz betrug 690 Hz. Unter diesen Bedingungen schmolz die Oberfläche des Stahlblechs und legierte sich innig mit dem Kohlenstoff- und Chrompulver.

Unmittelbar nach der Laserbehandlung wurde das Stahlblech eine halbe Stunde bei 482°C (900°F) nachbehandelt. Vor- und Nacherwärmung fanden in einem Ofen statt; durch

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diese Massnahmen wurde ein Aufreissen der Schmelzzone vermieden.

Die Fig. 17 zeigt die Konzentration des Minoritätsbestandteiles, Chrom, im fertigen Produkt. Die Kurve ist nach üblicher statischer Praxis den ursprünglichen Messpunkten angepasst. Diese Kurve zeigt eine erhebliche Zunahme der Chromkonzentration in der Schmelzzone, die 1,27 mm (50 mil) tief war. Die Chromkonzentration betrug bis zu einer Tiefe von 1,27 mm (50 mil) 21 Gew.-%.

Die Fig. 18 zeigt Härteprofile des fertigen Produktes nach der Laserbehandlung mit örtlichem Ausschwingen. In der Schmelzzone ergab sich eine Rockwell-Härte von C 53 bis C 57, die Rockwell-Härte des nicht vom Laser erfassten Stahls war C 20 und die Rockwell-Härte in der wärmebeeinflussten Zone C 30.

Fig. 19 zeigt Härteprofile im fertigen Produkt nach der Laserbehandlung bei örtlichem Ausschwingen, wobei die laserbehandelte Stahlplatte zuletzt zwei Stunden auf 649°C (1200°F) vorgehalten und dann luftgekühlt wurde. In der Schmelzzone war die Rockwell-Härte C 55 bis C 58, in der wärmebeeinflussten Zone C 25. Die Kurve der Fig. 21 zeigt den Widerstand der Schmelzzone gegen ein Hochtemperaturglühen.

Was die Oberflächenbehandlungsmethoden, die eingesetzte apparative Anordnung und die erhaltenen Erzeugnisse anbetrifft, wie sie oben beschrieben sind, ist die Behandlungszeit sehr kurz und somit der Raum-, Ausrüstungs- und Kostenbedarf niedrig. Die Störungen der Eigenschaften des unter der behandelten Schicht liegenden Substrats sind minimal. Legierungen bildet man aus, indem man die Minoritätslegierungs-komponenten in das Substrat einführt. Die resultierende Oberflächenschicht kann ein- oder mehrphasig sein, wie es oben unter Bezug auf die Fig. 6A ... 6D ausgeführt wurde. Die Behandlungsschicht kann flächenmässig kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. In den meisten Fällen weist sie einen Konzentrationsgradienten der Minoritätsbestandteile auf, wobei die Konzentration zum Substrat hin abnimmt, aber bei vorgegebener Tiefe innerhalb des Gradienten flächenmässig gleichförmig ist.

Die Erfindung ist für Eisenmetalle und -legierungen einschliesslich aller Guss- und Stahlarten anwendbar. Das in die Oberfläche des Metallerzeugnisses einzulegierende Element bzw. diese Elemente kann bzw. können als Pulver bzw. Pulvermischung oder als Legierungspulver oder irgendeine geeignete Zusammensetzung derselben aufgebracht werden.

Wie unmittelbar ersichtlich, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, die Oberflächenschicht mit einem einzigen Bestreichen des Werkstücks durch den Laserstrahl zu legieren. Nach dem ersten Durchlauf kann auf das Substrat weiteres Legierungsmaterial zusammen mit weiterer Wärme aufgebracht werden, wie es oben beschrieben ist, um die Oberflächenschicht auf die angegebene Weise weiter zu behandeln.

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3 Blätter Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Oberflächenlegieren eines Substratmetalls, vorzugsweise Stahl oder Gusseisen, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Metalloberfläche eine Schicht aus einer oder mehreren Legierungskomponenten aufgebracht und diese entlang eines abschnittsweise geradlinigen Bearbeitungspfades am Strahl einer kontinuierlich angeregten Laserquelle vorbeigeführt wird, dessen Leistungsdichte zwischen 8 und 1600 kW/cm2 liegt und der im Zusammenwirken mit der Verschiebungsgeschwindigkeit die Schicht sowie einen vorbestimmten Tiefenbereich des darunter befindlichen Metalls entlang eines geradlinigen Bearbeitungspfades zum Schmelzen bringt, miteinander mischt und sich wieder verfestigen lässt, wodurch entlang dieses Pfades eine Legierungsschicht der vorbestimmten Tiefe entsteht, welche über ihre ganze Dicke sowie gleichmässig über die ganze behandelte Oberfläche eine Zusammensetzung und Eigenschaften aufweist, die sich von denjenigen des darunter befindlichen Substratmetalls unterscheiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl derart abgelenkt wird, dass die zu behandelnde Oberfläche von ihm sukzessive entlang mehreren, geradlinigen, seitlich aneinanderliegenden Bearbeitungspfaden überstrichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl quer zu seinem Bearbeitungspfad hin-und herschwingt, während er die zu behandelnde Oberfläche überstreicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl auf einen Kreis mit dem Durchmesserzwischen 0,063 und 1,78 cm oder auf eine Fläche derselben Grösse jedoch anderer Form fokussiert wird, die Ausgangsleistung des Laserstrahls zwischen 5 und 20 kW und seine Verschiebungsgeschwindigkeit zwischen 12,7 und 127 cm/min liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls 38,8 und 46,5 kW/cm2 beträgt.
6. Erzeugnis des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einer Metallegierungsschicht versehen ist, deren Hauptkomponente aus dem Substrat stammt, wobei die Schicht über ihre ganze Dicke die für Schmelzen und plötzliches Wiedererhärten von Metall charakteristische Struktur aufweist und härter ist als das Substrat sowie bei vorgegebener Schichttiefe eine über den behandelten Flächenbereich gleichbleibende Zusammensetzung aufweist.
7. Erzeugnis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Eisensubstrat umfasst und die Schicht eine Eisenlegierung ist.
8. Erzeugnis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke zwischen 127 und 1270 p beträgt.