DD294289A5

DD294289A5 - Verfahren zur herstellung von verschleissfesten schichten auf aluminiumwerkstoffen

Info

Publication number: DD294289A5
Application number: DD34030190A
Authority: DD
Inventors: Franz Katzer; Stephan Reichelt
Original assignee: Paedagogische Hochschule "Dr. Theodor Neubauer" Erfurt/Muehlhausen,De
Priority date: 1990-05-02
Filing date: 1990-05-02
Publication date: 1991-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleiszfesten und korrosionsbestaendigen Oberflaechenschichten auf Aluminiumwerkstoffen. Sie ist zur Oberflaechenbehandlung vielfaeltiger Aluminiumbauteile anwendbar. Erfindungsgemaesz erfolgt nach einer Plasmanitrierung der Bauteiloberflaeche in einer zweiten Stufe eine Umschmelzbehandlung der A1N-Schicht mittels energieintensiver Strahlung, vorzugsweise von CO2-Lasern. Die Schichtdicke ist durch Variation der Strahlungsintensitaet, der Aluminiumlegierung, der Ausgangsdicke der im Plasmaverfahren erzeugten A1N-Schicht, der Wirkgeschwindigkeit und des UEberdeckungsgrades des Lasers beeinfluszbar.{Aluminiumwerkstoff; Plasmanitrierung, verschleiszfest, korrosionsbestaendig; Oberflaechenveredlung; Umschmelzbehandlung; Strahlung, energiereich; Laser; Schichtdicke; Bauteiloberflaeche}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen, die vorwiegend gleitenden Beanspruchungen unterliegen, wie Führungen oder Gleitbahnen, aber auch bei solchen, die häufig der Berührung durch die menschliche Hand ausgesetzt sind bzw. tribologisch-chemischen Belastungen unterworfen sind. Sie ist damit im Maschinenbau, aber auch im Bauwesen anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind mehrere Verfahren zur Er'eugung verschleißfester und korrosionsbeständiger Schichtstrukturen auf Aluminiumwerkstoffen. Die theoretisch bekannten und in der Praxis erprobten Verfahren der anodischen Oxydation (ANOX, ANOF) erlauben die Erzeugung definierter Oxidschichten, indem durch sie die natürlich vorhandenen AI₂O₃-Schichten auf technischem Wege verstärkt wird. Aufgrund der Struktur und Eigenschaften dieser Schichten werden die korrosiven Parameter der behandelten Bauteile wesentlich verbessert. Die Verschleißbeständigkeit ist jedoch begrenzt, da sich nur eine dünne Übergangsschicht herausbildet, unter der sich der weiche Grundwerkstoff befindet und somit schnell ein „Durchbrechen" geschehen kann.

Andere Oberflächenveredlungsverfahren, wie sie für die Behandlung von Teilen aus Stahl bekannt sind, finden durch die notwendigen hohen Bildungstemperaturen für Aluminium und Aluminiumlegiorungen keine Anwendung. Es ist aber andererseits bekannt, daß Aluminium ein Sondernitridbildner ist und in Stählen mit Aluminium als Legierungsbestandteil während der Stickstoffdiffusion zu Aluminiumnitrid (AIN) umgewandelt werden kann. Ursache für diesen Bildungsmechanismus des Sondernitrids ist unter anderem die starke chemische Affinität des Aluminiums zum Stickstoff. Die in typischen Nitrierstählen nachgewiesenen Aluminiumnitride sind ausgesprochen hart (1230 It. KNOOP-SKALE), temperaturbeständig (θ, = 245O⁰C) und zeigen eine starke Resistenz gegenüber angreifenden Medien (z.B. Schmelzen, Chemikalien). Die Erzeugung des Aluminiumnitrids als kompakte Schichtstruktur auf der Bauteiloberfläche wird maßgeblich durch die unvermeidbare Existenz der natürlichen Oxidschicht (AI2O3) erschwert. Dabei wirkt die genannte A^Oa-Schicht als Diffusionsbarriere gegenüber dem zur Nitridbildung erforderlichen Stickstoff.

Unter den Bedingungen der anomalen Glimmentladung (Glimmlicht) reagiert Aluminium nach EP-PS Nr.0158271 (IPK C23C8/36) unter Einwirkung von Stickstoffionen partiell zu Aluminiumnitrid (AIN), da unter den Bedingungen des Plasmas die Oxidschicht mit ihrer negativen Wirkung ausgeschaltet bzw. reduziert wird. Der Aufbau einer nach diesem Verfahren erzeugten Nitridschicht geschieht relativ langsam (ca. Spm nach 10 Stunden). Sie besitzt eine schwarzgrau und körnig ausgebildete Struktur von nur bedingter Gleichmäßigkeit und die Übergangsschicht besitzt eine geringe Dicke. Damit ist der Verschleißschutz auch nur bedingt gewährleistet und nur begrenzt haltbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung is! es, ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten, verschleißbeständigen und korrosionsarmen Schichten auf Aluminiumwerkstoffen zu schaffen, mit dem eine ausreichend dicke, gleichmäßig und feinkörnig strukturierte Schutzschicht mit einer genügend dicken Übergangsschicht zum Grundwerkstoff auf dem Aluminiumbauteil erzeugt werden kann. Damit soll die Lebensdauer derartig beschichteter Bauteile erhöht werden, was volkswirtschaftlich zu Material- und Energieeinsparungen führt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten, verschleißbeständigen und korrosionsarmen Schichten auf Aluminiumwerkstoffen zu schaffen, bei dom eine gleichmäßig strukturierte, feinkörnige und ausreichend dicke Schutzschicht und eine ausreichend stabile Übergangsschicht zum Grundwerkstoff erzeugt werden kann. Die bekannten Verfahren werden diesen Ansprüchen nicht ausreichend gerecht.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, indem diese Verschleiß- u id Korrosionsschutzschicht in zwei Stufen erzeugt wird. In der ersten Stufe werden unter den physikalischen Bedingungen des ariomi.len Glimmlichts im Stickstoffplasma

Aluminiumnitride (AIN) vA lior Bauteiloberfläche abgeschieden. Daran schließt sich eine Umschmelzbehandlung mittels CO₂-Laserstrahlung bzw. anderer energiereicher und -intensiver Strahlung an. Dadurch werden die Nitride in einem oberflächennahen Bereich in einen Verbund mit dem Aluminiumwerkstoff gebracht. Es entsteht in diesem Bereich eine Dispersionslegierung im Verbund mit dem Grundwerkstoff.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an folgendem Beispiel näher erläutert werden:

Bauteile aus Aluminium, Aluminium-Magnesium-Legierungen und Aluminium-Silizium-Legierungen werden unter folgendsn Bedingungen in einer ersten Stufe in einer bekannten Plasmanitrieranlage zur Erzeugung von AIN-Schichten behandelt:

Nitriertemperatur:	550⁰C
Nitrierzeit:	1h
Spannung:	480 V
Stromstärke:	3,5 A
Gesamtdruck:	0,43 hPa
Abkühlung:	Retortenabkühlunn
Gasmenge/N₂:	101 h"'

Anschließend werden die Bauteile, die durch das Nitrieren eine schwarzgraue Farbe angenommen haben, einem Umschmelzprozeß mittels Laserstrahlung unterzogen. Die Umschmelzparameter des verwendeten CO₂-LaSOrS sind im folgenden dargestellt:

Leistungsdichte des CGyLasers:	240W cm"²
Laserführungsgeschwindigkeit:	3mm · s"'
Spurbreite dor Einzelspur:	0,3 mm
Überlappungsgrad:	50%
Fokusabstand:	1 mm
Brennweite:	100 mm
N₂-Gasdurchsat?:	1801-h"¹.

Dadurch wird ein Einschmelzen des AIN-Sondernitrids in feindisperser Form (Dispersionsschicht aus disperser Phase AIN und Aluminiumwerkstoff als Matrix) im oberfläcnennahen Bereich erzeugt. Es wird dabei ein gleichmäßiger Übergang zum Grundwerkstoff realisiert. Es sind Schichtdicken von 5μιη bis ΙΟμπι erreichbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Schichten auf Aluminiumwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe nach bekannten Plasmanif^r:erverfahren auf der Bauteiloberfläche eine AIN-Schicht erzeugi wird, die in einer zweiten Stufe einer Umschmelzbehandlung mittels energieintensiver Strahlung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereiche Strahlung mittels CO₂-Laser erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Dicke der in der ersten Stufe erzeugten AIN-Schicht, der Strahlungsenergie, der Einwirkzeit der Strahlung, der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung und des Überdeckungsgrades sich unterschiedliche Dispersionszonen realisieren lasten.