Herstellung amorpher Metalloberflächenschichten mittels Laserstrahl

Abstract

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Das Laserstrahlbeschichten von kristallinen Werkstoffen mit amorphen Materialien ermöglicht unter optimierten Laserparametern die Herstellung harter Oberflächenschichten. Hierfür wurde angestrebt, den amorphen Werkstoffzustand an der Oberfläche nach dem Beschichten aufrecht zu erhalten, um die mechanischen und tribologischen Eigenschaften des Basismaterials maßgeblich zu verbessern. Auf Grund der thermischen Instabilität amorpher Folien ist ein Beschichtungsverfahren erforderlich, bei dessen Einsatz die amorphe Struktur des Beschichtungswerkstoffs erhalten bleibt. Für die eingesetzte amorphe Kobaltbasislegierung Co66Fe4Mo2Si16B12 sind bisher keinerlei tribologischen Untersuchungen (z.B. beim Beschichten von kristallinen Werkstoffen) durchgeführt worden. Die vorliegenden Untersuchungen liefern daher neue Erkenntnisse zum Laserstrahlbeschichten von kristallinem Aluminium, Kupfer und CrNi-Stahl von jeweils 200µm Dicke mit der amorphen Co-Basislegierung. Zur Herstellung amorpher Metalloberflächenschichten wird ein gepulster Nd:YAG-Laser mit ausreichender Impulsenergie von 0,1J bis 40J und 0,15ms bis 0,40ms Pulsdauer eingesetzt. Die erzeugten Verbundschichten werden metallographisch (Gefüge), röntgenographisch (Struktur) und hinsichtlich ihres Verschleißwiderstandes (Härte und Verschleißfaktor) untersucht. Bei der Beschichtung von Überlappungsproben ergab sich teilweise eine kristalline Struktur, wodurch die Scherzugfestigkeit abnahm. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Laserenergie an der Fügestelle war die Wärmebelastung bei der Beschichtung in der Bördelnahtposition geringer, was zu einer amorphen Struktur an der Fügezone führte. Hier war es möglich, Aluminium und Kupfer mit amorpher Co-Basislegierung unter negativer Defokussierung besser zu fügen als unter positiver Defokussierung. CrNi-Stahl X5CrNi18 9 ließ sich sowohl unter positiver als auch negativer Defokussierung gut beschichten. Die Scherzugfestigkeit war beim Einsatz positiver Fokuslage deutlich höher. CrNi-Stahl ließ sich wesentlich besser ohne Schutzgas (Ar 5.0/3bar) beschichten. Ursache hierfür ist der an der Fügestelle auftretende Temperaturgradient. Außerdem wurden anhand der Röntgenbeugungsanalyse (XRD) folgende Phasen identifiziert: a-Phase Co; SiO2; Amorphmischung aus a-Phase Co mit Fe, Mo Si, B; Amorphe Grundstruktur mit Teilbereichen in bestimmten Abständen von SiO2, B2O3 sowie Phasen aus Co3Mo2Si, Co3B und CoSi2. Durch den Einsatz des entwickelten Laserbeschichtungsverfahren ist es möglich, den kritischen Temperaturbereich der Phasenumwandlung kurzzeitig mit örtlich dosierbaren hohen Energiedichten bei kurzer Pulsdauer zu durchlaufen. Das ermöglicht eine rasche Abkühlung der Schmelze und führt zu einem amorphen Zustand der Oberflächenschicht. Damit konnte erstmals eine Methode zur Erzeugung von Oberflächenschutzschichten beim Einsatz einer amorphen Kobaltbasisfolie auf kristallinen Substratwerkstoffen erarbeitet werden.

Abstract

The laser beam cladding of crystalline materials with amorphous materials made possible under optimized laser parameters the manufacturing of hard layers. For this purpose it is aimed to keep upright the amorphous structure at the surface after cladding in order to improve the mechanical and tribological characteristics of the base material considerably. Due to the thermal instability of amorphous foils a cladding process is necessary, which maintains the amorphous structure of the cladding material. For the assigned amorphous cobalt-base alloy Co66Fe4Mo2Si16B12 so far no tribological investigations (e.g. when cladding crystalline materials) were accomplished. The available investigations bring therefore new realizations on the laser beam cladding of crystalline aluminum, copper and Cr-Ni steel of in each case 200µm to thickness with the amorphous Co-base alloy. For manufacturing amorphous metal layers a pulsed Nd:YAG laser with sufficient impulse energy is used with 0,1J to 40J and 0,15ms to 0,40ms pulse duration. The produced compound layers were examined metallographically (structure), radiographic (lattice) and regarding wear resistance (hardness and wear factor). In the case of the cladding of lap samples partly a crystalline structure resulted, whereby the shear tension strength decreased. Due to the even distribution of the laser energy at the joint the thermal load was smaller through cladding in the flange seam position, which led to an amorphous structure at the adding zone. Here it was possible to cladd aluminum and copper with amorphous Co- base alloy under negative defocussing better than in positive defocussing. Cr-Ni steel X5CrNi18 9 could be cladded both under positive as wel as in negative defocussing. The shear tension was clearly higher with the choice of positive focus situation. Cr-Ni steel could be cladded substantially better without inert gas (Argon 5.0/3bar) due to the temperature gradient arising at the joint. In addition on the basis of the X-ray diffraction analysis (XRD) the following phases were identified: a-phase Co; SiO2; Amorphous mixture of a -phase Co with Fe, Mo Si, B; Amorphous base structure with subranges in certain distances from SiO2, B2Ò3 as well as phases of Co3Mo2Si, Co3B and CoSi2. By the use of a developed laser cladding process it is possible to pass the critical temperature range of the phase transformation briefly with high power densities due to locally restricted at short pulse heat input. So a rapid cooling of the melt is possible and leads to an amorphous condition of the layer. Thus for the first time a method could be compiled for manufacturing of protective surface layers with an amorphous cobalt alloy structure on crystalline substrate materials.