DE2740569A1

DE2740569A1 - Oberflaechenlegierungs- und waermebehandlungsverfahren

Info

Publication number: DE2740569A1
Application number: DE19772740569
Authority: DE
Inventors: Uck Il Chang; Chia-Ming Yen
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1978-03-16
Also published as: JPS6037176B2; CA1093433A; US4157923A; GB1587235A; JPS5334618A; ES462164A1; FR2371520B1; DE2740569B2; IT1079283B; FR2371520A1

Description

DR. A. KÖHLER M. SCHROEDER TELEFON: 3TAT «2 Wt β MÖNCHEN ÄO TELEORAMMEi CARBOPAT MÖNCHEN ^T" FRANZ-JOSEPH-STRASSC

US-867 - S/Ja

FORD-WERKE AG, Köln

Oberflächeniegiertangs- und Wärmebehandlungsverfahren

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Erhöhung der physikalischen Eigenschaften eines nicht-allotropen Metallgegenstandes längs einer durch Strahlen beeinflußten Zone angegeben. Nicht-allotrop ist hier so definiert, daß unter NichtUmwandlung härtbare Metalle mit einer Härte unter R_ 25 umfaßt werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, daß ein Strahl hoher Energie (von wenigstens 10 000 Watt/cm , gemessen an der Grenzfläche des Strahls) geführt wird, wobei der Strahl über einen bestimmten Oberflächenbereich in einem Ausmaß geführt wird, um mit der Bemessung der Gesamtmasse des Gegenstandes mit Bezug auf

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die Masse der durch den Strahl beeinflußten Zone unter Erzeugung einer raschen Selbstabkühlgeschwindigkeit zusammenzuwirken und somit einen gewünschten Niederschlag und/oder eine intermetallische Verbindung in der Verfestigungszone zu gewährleisten. Der Strahl hoher Energie ist vorzugsweise ein Laserstrahl, der durch eine Einrichtung mit einem Energiewert von wenigstens 500 Watt erzeugt wird. Das Verfahren kann in verschiedenen Richtungen variiert werden: (a) die Legierungsbestandteile können vorher über die durch den Strahl beeinflußte Zone abgeschieden werden, sodaß sie bei Schmelzen des Grundmaterials in der Zone turbulent vermischt werden, (b) die Bestandteile können als ein Draht vorliegen und in den Strahl hoher Energie eingeführt werden, um gleichzeitig mit dem Grundmaterial geschmolzen zu werden, (c) die Legierungsbestandteile werden so ausgewählt, daß sie eine Affinität zur Bildung intermetallischer Verbindungen mit der nicht-allotropen Metallgrundlage aufweisen, wie beispielsweise Kupfer, Mangan, Chrom, Zink, Kobalt, Magnesium, Molybdän, Titan, Vanadium, Wolfram, Zirkonium, Eisen und Nickel für eine Aluminiumgrundlage und Silicium als unabhängiges abnützungsbeständiges Teilchen und (d) die Legierungsbestandteile werden im Hinblick auf die Dicke der geschmolzenen Zone so proportioniert, daß eine gewünschte Legierungskonzentration nach dem Schmelzen erhalten wird, um größere Härte, größere Korrosionsbeständigkeit oder größer· Ermüdungslebensdauer des beeinflußten Oberflächenbereichs des Gegenstandes zu fördern.

Bei vielen industriellen Anwendungen ist es erwünscht,Gegen-

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stände mit einem billigen und leichten Material als Kernbestandteil herzustellen·, derartige Materialien umfassen in typischer Weise nicht-allotrope Metalle einschließlich Aluminium. Wie vorstehend erwähnt, sollen nicht-allotrope Metalle hier unter NichtUmwandlung härtbare Metalle mit einer Härte von weniger als R_ 25 bedeuten. Die Oberfläche derartiger Gegenstände muß auch physikalische Eigenschaften aufweisen, die durch das Kernmaterial selbst nicht geliefert werden. Derartige verbesserte physikalische Eigenschaften können hohe Härte, hohe Festigkeit, Abnutzungsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur und Korrosionsbeständigkeit umfassen.

Es muß eine bestimmte Form einer neuen Oberflächenbehandlungstechnik entwickelt werden, um diese Eigenschaften in einer genau gewählten Oberflächenzone ohne Beeinträchtigung des nicht-allotropen Metallkerns zu erzielen, es kann nicht wirtschaftlich annehmbar erreicht werden, indem die bisher bekannte Oberflächenbehandlungstechnik angewendet wird. Bekannte Behandlungstechniken umfassen: (a) die Sättigung der Oberflächenzone, beispielsweise durch Einsatzhärtung oder Nitrierung, (b) Umwandlung der Verfestigungsphase der Oberflächenzone in eine härtere^(c) Anbringung eines Überzugs oder (d) Legieren oder Wärmebehandeln des gesamten Gegenstandes. Nitrierung und Einsatzhärtung werden mit Erfolg für Substrate auf Eisengrundlage angewendet, sind jedoch bei Nicht-Eisenmetallen nicht erfolgreich. Die Umwandlungshärtung ist recht erfolgreich bei Substraten auf Eisengrundlage, ist jedoch nicht erfolgreich bei Aluminium und vielen anderen nlcht-allotropen Materialien. Fest verbundene Überzüge sind teuer und können geringe Dauerhaftigkeit aufweisen. Die Behandlung des gesamten Gegenstandes ist energieverschwendend, weist geringe Produktivität auf und versagt hinsichtlich der Erzielung unterschiedlicher

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Eigenschaften Im Kern und der Oberflächenzone. Beispielsweise wurde bisher bei einem Alumlnlumgegenstand und dgl. In erster Linie Ausscheidungshärtung über den gesamten Gegenstand verwendet. Dieses Verfahren 1st aus einer Reihe von Gründen einschließlich hohe Kosten, Deformierung und geringe Produktivität nicht zufriedenstellend. Es wurden wenig oder keine Untersuchungen mit Bezug auf Oberflächenbereichsbehandlungen von Aluminium durchgeführtj und es wurden keine Untersuchungen mit Bezug auf die Verwendung eines hoch konzentrierten EnergieStrahls als einem der Faktoren in dieser Oberflächenbehandlungstechnik durchgeführt.

Wärmequellen mit einer Energie hoher Intensität wurden zu Zwecken des Schweißens, Schneidens und Bohrens und in. bestimmten begrenzten Arten zum Zweck der Oberflächenhärtung von Materialien auf eisenhaltiger Grundlage verwendet. Der Strahl hoher Energie kann zum Schmelzen eines sehr oberflächlichen Oberflächenbereichs eines Gegenstandes auf Eisengrundlage angewendet werden, mit dem Ergebnis, daß das geschmolzene Material in eine härtere Phase nach Entfernen des Energiestrahls umgewandelt werden kann, wodurch der Gegenstand als Selbstabkühlmedium wirken kann. Jedoch ist die Technik der Anwendung eines Strahls hoher Energie für die Oberflächenhärtung von Material auf eisenhaltiger Basis grundlegend verschieden von seiner Verwendung bei Anwendung auf nicht-eisenhaltige und insbesondere nicht-allotrope Materialien.

Wenig oder keine Überlegungen wurden hinsichtlich des Konzepts der Regelung der Einführung von Legierungsbestandteilen zu geregelten Tiefen und Proportionen in eine nicht-allotrope Metallgrundlage, wie beispielsweise Aluminium durch Anwendung eines Strahls hoher Energie angestellt. Der Mangel an Untersuchungen kann auf die herr-

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sehende Meinung zurückzuführen sein, daß die Brauchbarkeit eines derartigen Strahls bei Anwendung auf Aluminium begrenzt sein würde, da (a) das Schmelzen in typischer Weise nicht zu einer gehärteten umgewandelten Phase innerhalb dieses Materials führt, (b) die bisherige Erfahrung mit Ofenwärmebehandlung begrenzte Härtewerte, zu denen viele nicht-allotrope Metalle gehärtet werden konnten, anzeigte, (c) wegen des Mangels an technischem Bedarf, zu untersuchen, wie lokalisierte Zonen unter wenig Deformierung tiefgehärtet werden können und (d) wegen der Verfügbarkeit alternierender Härtungstechniken für den technischen Bedarf,der gewöhnlich aus oberflächlichen nicht stark abnutzungsfähigen Oberflächen bestand, wobei eine derartige Technik die Plasmasprühung ist, welche das Substrat nicht deformierte und sehr flexibel in der Anwendung war. Somit wurde die Brauchbarkeit eines Strahls hoch konzentrierter Energie bei Anwendungen mit Aluminium und dergleichen nicht Betracht gezogen.

Insbesondere im Hinblick auf Aluminium können bei der derzeitigen Technik ein oder mehrere der folgenden Nachteile auftreten: (a) der Gegenstand kann als Ergebnis der Härtungsbehandlung in hohem Maße deformiert oder verworfen sein, (b) die Oberflächenkontur des zu behandelnden Teils kann unregelmäßig sein und ist daher einer gleichmäßigen Behandlung nicht zugänglich, oder der Gegenstand kann unterschiedliche Abschnitte aufweisen und die unterschiedlichen Abschnitte sprechen verschieden auf die Härtungsbehandlung an, wodurch Ungleichmäßigkeit verursacht wird,(c) die Kosten der Härtung eines Aluminiumgegenstandes können aufgrund des Erfordernisses teurer Anlagen oder Arbeitskraft relativ hoch sein, (d) das Verfahren zur Wärmebehandlung ist nicht in der Lage, eine flache gleichmäßige Tiefe der Randzone mit Genauigkeit zu erhalten, (e) das Behandlungsverfahren ist nicht in

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der Lage, selektive Präzisionsmuster der Einsatzhärtung oder Schalenhärtung über eine gegebene Oberfläche zu erreichen, (f) das bisherige Verfahren ist unfähig, einen kleinen Bereich eines Gegenstandes von großen Abmessungen wirtschaftlich zu härten, (g) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, kleine Bereiche, die in einem komplizierten Teil schwierig zu erreichen sind, zu härten, (h) das bisherige Verfahren ist nicht in der Lage, ohne potentielle Schädigung benachbarter Teile angewendet zu werden, (i) das Abkühlen wird schwierig, zumindest mit bestimmten bisherigen Verfahren und (J) die bisherigen Verfahren eignen sich nicht für extrem hohe Volumen und hohe Produktionsgeschwindigkeiten. Somit besteht ein Bedarf für ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminiumgegenständen und dgl., das die obigen Schwierigkeiten beseitigt und zusätzlich die Oberflächenbehandlungstechnik für nicht-allotrope Materialien verbessert, um sämtliche erwünschten physikalischen Eigenschaften mit entsprechender Regelung zu erleichtern.

Gemäß der Erfindung wird ein Strahl hoher Energie von wenigstens 10 000 Watt/cm an der Grenzfläche mit dem Aluminiumsubstrat verwendet⁹, Legierungsbestandteile werden an der Grenzfläche so angebracht, daß sich nach Verfestigung der in Turbulenz befindlichen geschmolzenen Zone eine legierungsreiche Zone ergibt. Die Masse des Substrats wird so geregelt, daß sich SelbstabkUhlung und Sicherstellung der Leglerungsabscheidung in geeigneter Korngröße ergeben.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht in einem verbesserten Verfahren zur Erzielung der Einsatzhärtung von Metallgegenständen, wobei das Verfahren insbesondere durch größere Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet 1st, Deformierung aufgrund des Behandlungsverfahrens ausschaltet oder vermindert, für

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ungleichmäßige und unterschiedlich proportionierte Teile geeignet ist und zweckmäßig ist, um mit einer Vielzahl von Metallsubstraten zu arbeiten, die normalerweise nicht auf Behandlungen nach dem Stand der Technik ansprechen.

Eine andere Aufgabe besteht in einem Verfahren, das im wesentlichen lokalisiertes Gießen darstellt und die Behandlung einer genau ausgewählten ausgesetzten Zone eines nicht-tallotropen Metallgegenstandes ermöglicht, um physikalische Eigenschaften in dieser Zone, die bisher nicht erreichbar waren und bei einer höheren Produktionsgeschwindigkeit zu erhalten.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in einem vielseitigen Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften einer gewählten Oberflächenzone eines nichtallotropen Metalls durch geregeltes Vößderschnelzai in Gegenwart proportionierter Legierungsbestandteile, wobei die Eigenschaften Je nach der gewünschten Anwendung verbessert werden.

Eine andere Aufgabe besteht im Härten von Metall durch Integrierung eines legierungsreichen Oberflächenbereichs, der hinsichtlich Breite und Tiefe und einer präzisen Zone geregelt ist, um Musterlegierung oder gesamte Oberflächenabdeckung zu erleichtern.

Gemäß den obigen Aufgaben umfassen die Merkmale (a) die Anwendung eines Strahls hochkonzentrierter Energie,.welcher einen Energiewert an der Grenzfläche mit dem Gegenstand von wenigstens 10 000 Watt/cm aufweist, wobei der Strahl entweder entbündelt oder oszilliert ist, um eine effektiv größere kontrollierte Zone zu bedecken und der Strahl verwendet wird, um eine begrenzte Zone des Substrats rasch zu schmelzen, um in dem geschmolzenen Metall eine Turbulenz

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zu erzeugen, die gegebenenfalls das Legieren fördert, (b) relativ rasche Bewegung des Strahls konzentrierter Energie, sodaß nach Bewegung des Strahls von der beschränkten Zone oder Station die Masse des umgebenden nicht-allotropen Materials die wärmebeeinflußte Zone durch Konduktion abschreckt, (c) das Heranführen eines oder mehrerer Legierungsmittel an die Grenzfläche zwischen dem Strahl konzentrierter Energie und dem nicht-allotropen Gegenstand, sodaß die strahlbeeinflußte Zone mit den Legierungsmitteln gesättigt wird und intermetallische Verbindungen gebildet werden, gegebenenfalls mit einer zwischen der legierten Zone und dem Grundmetall geförderten metallurgischen Bindung, (d) einen Laser für den Energiestrahl, wobei der Energiewert des Laserstrahls in Bezug auf die Geschwindigkeit der Bewegung des Strahls eingestellt wird, um eine vorbestimmte Tiefe der strahlbeeinflußten Zone herzustellen, (e) als pulverförmiges Material zugeführte Legierungsmittel, die vorher auf die Grundlegierung, beispielsweise durch Plasma aufgesprüht oder aufgebürstet und/oder gleichzeitig mit einem geeigneten Harz aufgebracht werden oder durch Anwendung der Zuführung eines Legierungsdrahtes oder einer -folie in den Strahl angrenzend an die Grenzfläche zwischen dem Strahl und der Grundlegierung zugeführt werden, wodurch die Grundlegierung gleichzeitig mit der Legierung geschmolzen werden kann und (f) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Substrat und ein Legierungsmittel, das eine Affinität zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Aluminium aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert, in denen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer frühen Stufe der Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Ausführungsform in der Legie-

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rung einer Randzone eines Metallsubstrats besteht*

Fig. 2 einen schematischen Schnitt einer nachfolgenden Stufe für die Ausführungsform der Fig. 1, insbesondere unter Schmelzen sowohl einer Legierungsschicht als auch einer darunter angrenzenden Zone des Grundmetalls·,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt des sich aus der Durchführung der Stufen der Fig. 1 und 2 ergebenden Produktes, wobei das Produkt einem einzigen Durchgang der Schmelzvorrichtung unterzogen worden ist·,

Fig. 4 eine Schnittansicht im wesentlichen längs der Linie h-h der Fig. 3, welche die Tiefe und Kontinuität des einzelnen Durchgangs erläutert,

Fig. 5 eine Schnittansicht ähnlich der Fig. 3, die jedoch das Ergebnis eines mehrfach sich überlappenden Durchgangs der Schmelzvorrichtung zeigt·,

Fig. 6 einen schematischen Schnitt ähnlich dem von Fig. 2, welcher eine Alternativausführungsform der gleichzeitigen Durchführung der ersten und zweiten Stufe zeigtj

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die auf die Wärmebehandlung ohne Oberflächenlegierung gerichtet ist·,

Fig. 8 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils des durch das Verfahren der Fig. 7 bearbeitet en Werkstücks, wobei die Strömung der Energiezufuhr und die Energieverteilung gezeigt werden*

Fig. 9 bis 11 eine schematische Darstellung verschiedener lasererzeugenden Vorrichtungen, die sich für die Durchführung der Erfindung eignen·,

Fig. 12 eine schematische Ansicht einer Laserkonzentriervorrichtung zur Richtung des Strahls auf einen zu erhitzenden Gegenstand*

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Typs einer

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Plasmapulveriiberzugsvorrichtung, die in Verbindung mit dem Verfahren der Fig. 1 bis 3 verwendet werden kann lind

Fig. 14 eine schematische perspektivische Ansicht eines Typs einer Elektronenst reibvorrichtung, die zur Durchführung der Erfindung verwendet werden kann,

wiedergeben.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Das allgemeine Konzept der Erfindung besteht darin, verbesserte physikalische Eigenschaften in einer behandelten Zone längs des äußeren Bereichs eines Gegenstandes, der aus einem nicht-allotropen Metall (von ausreichend hoher thermischer Leitfähigkeit) gebildet ist, ohne nachteilige Beeinflussung des Restes des Gegenstandes zu erzielen. Die behandelte Zone ist in typischer Weise so ausgebildet,daß sie im Vergleich zur Masse des Gegenstandes im Hinblick auf die Vorteile der Kosteneinsparung äußerst klein ist. Das Verfahren besteht im wesentlichen aus Erhitzen und Kühlen. Das Erhitzen besteht darin, einen Strahl hoher Energie zu konzentrieren und diesen Strahl gegen eine begrenzte Zone der Oberfläche des Gegenstandes bei bestimmter Abtastgeschwindigkeit (scan rate) und bestimmtem Energiewert,gemessen an der Grenzfläche des Gegenstandes, zu richten, sodaß das Metall in der Zone mit ausreichend rascher Geschwindigkeit geschmolzen wird, wobei der Rest des Gegenstandes vom Aufheizeffekt isoliert wird. Das Kühlen besteht darin, den Strahl hoher Energie aus der Zone zu entfernen, während die Masse des Gegenstandes mit Bezug auf die durch den Strahl beeinflußte Zone proportioniert wird, um eine selbstkühlende Kuhlgeschwindigkeit herbeizuführen, die eine feinkörnige Struktur und eine supergesättigte feste Lösung sicherstellt. Diese supergesättigte Lösung kann entweder durch Diffundierung unabhängiger Legierungsbestandteile in diese Zone zur

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geregelten Verdünnung des Metalls oder durch Auswahl eines legierten Grundmetalls mit einem Minimalwert inhärenter Legierungsbestandteile für die Supersättigung gefördert werden.

Der bemerkenswerteste Vorteil,der sich aufgrund der Durchführung des Verfahrens ergibt, besteht in der Fähigkeit, ein relativ wirtschaftliches leichtes Substratmaterial, wie beispielsweise Aluminium, anzuwenden und in der Fähigkeit, die Steigerung der physikalischen Eigenschaften durch isolierte Verwendung von teuren Materialien auf kleine gewählte Oberflächenzonen zu begrenzen, wodurch ein ausgezeichnetes Verhältnis von Kosten zu Leistung erzeugt wird.

Oberflächenlegierung

Eine der wesentlichen Ausführungsformen der Anwendung des allgemeinen Konzepts liefert eine legierte Oberflächenzone auf dem Gegenstand. Das Legieren der Oberfläche wird dadurch erreicht, daß die gewählte äußere Zone des Gegenstandes sowie ein vorher oder gleichzeitig in der Zone abgeschiedenes Legierungsmittel rasch geschmolzen werden. Das Legierungsmittel wird in das geschmolzene Grundmetall durch thermische Aktivität, die sich aus der Wirkung des Strahls ergibt, mit Turbulenz eingeführt. Nach raschem Entfernen des Strahls hoher Energie folgt ein Selbstabkühlvorgang, der eine Legierung aus feinkörniger fester Lösung unter Verteilung Intermetallischer Verbindungen erzeugt. Die Schaffung dieses homogenen Oberflächenlegierungsbereichs ist neu, da wenigstens einige Forscher annahmen, daß nicht-allotrope Metalle von derart hoher thermischer Leitfähigkeit als Ergebnis der Aussetzung an einen Strahl hoher Energie Festigkeit verlieren würden.

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und einige andere mögen angenommen haben, daß die durch den Strahl beeinflußte Zone nicht angemessen begrenzt wäre, um Selbstabkühlung zu ermöglichen. Es wurde gefunden, daß die durch den Strahl beeinflußte Zone auf's genaueste begrenzt, isoliert und geregelt werden kann, ohne Einbuße an notwendigem Aufheizausmaß und Selbstabschreckausmaß ·

Im folgenden wird genauer eine detaillierte bevorzugte Ausführungsform der Durchführung der Oberflächenlegierung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 beschrieben·

(1) Eine anfängliche vorbereitende Stufe des Verfahrens besteht darin, ein Grundmaterial auszuwählen, daß auf rasches Erhitzen durch einen Strahl hoher Energie anspricht, leicht zu schmelzen ist und in zufriedenstellender Weise zur Selbstabkühlung während des Kühlvorgangs Wärme thermisch leitet. Obgleich eine weite Vielzahl von Metallmaterialien verwendet werden kann, wird die Ausführungsform hier vorzugsweise mit einem Grundmaterial durchgeführt, das im wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung besteht. Das Grundmaterial sollte eine thermische Le itfähigkelt von wenigstens 0,25 cal/cm /cm/sec/°C aufweisen. Andere nicht-allotrope Metalle, wie hier definiert, und die eine ausreichende thermische Leitfähigkeit aufweisen, umfassen: Magnesium, Kupfer, Zink und Titan.

(2) Das bevorzugte Grundmetall wird durch die Auswahl und Anwendung von Legierungsbestandteilen, welche eine Affinität zur Bildung fester Lösungen und intermetallischer Verbindungen mit dem Grundmetall aufweisen, oberflächenlegiert. Für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung kann der Bestandteil aus der Gruppe von Kupfer, Nickel, Wolfram, Molybdän, Zirkonium, Vanadium, Magnesium, Zink, Chrom, Kobalt, Mangan und Titan ausgewählt werden. Zwei oder mehrere

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dieser Bestandteile können zusammengegeben werden. Kupfer ist einer der wirksamsten Legierungsbestandteile zur Härtung von Aluminiumlegierungen. Nickel fordert die Beständigkeit des Aluminiums gegen Erweichung bei erhöhten Temperaturen im legierten Zustand. Silicium ist, obgleich es keine intermetallische Verbindung bildet, brauchbar in einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Kerns mit niedrigem Siliciumgehalt mit abnutzungsbeständiger Oberfläche von hohem Siliciumgehalt, die unabhängige Abnutzungsteilchen aufweist. Graphit ist, obgleich es keine intermetallische Verbindung bildet, brauchbar als ein festes Hochtemperaturgleitmittel im legierten Oberflächenbereich. Zu Legierungsbestandteilen für Magnesium gehören Zink, seltene Erden, Zirkonium, Mangan und Aluminium. Legierungsbestandteile für Kupfer können Blei, Zink, Aluminium, Zinn, Eisen, Nickel, Silicium, Mangan, Beryllium, Zirkonium und Chrom enthalten.

(3) Die nächste Stufe besteht darin, Legierungsbestandteile zu verbinden, abzuscheiden oder dem Strahl angrenzend an die gewählte Zone des Grundmetalls zu unterwerfen. Ein Weg, dieses zu erreichen, besteht darin, eine Legierungsschicht 10 auf dem Grundmetall 11 durch einen geeigneten Mechanismus 12 (siehe Fig. 1), der hier Plasma* stromsprühen von gepulvertem Legierungsmetall umfaßt, abzuscheiden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in der Anwendung eines Drahts, der aus den Legierungsbestandteilen besteht und der Zuführung dieses Drahts in den Strahl (siehe Fig.6). Ein anderer Weg besteht darin, Harz mit den gepulverten Bestandteilen zu vermischen und dieses Gemisch in der Bahn des Strahls abzuscheiden. Aufstreichen kann auch angewendet werden, solang die Bestandteile so verbunden werden, daß sie durch den Strahl beeinflußt werden. Die durch die Plasmatechnik aufzusprühenden Legierungsbestandteile können aus einem Gemisch von Metallpulvern bestehen oder können als unab-

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hängige Schichten aufgebracht werden. Die gemischten Pulver werden in typischer Weise einer sehr hohen Temperatur und einer Strahl- oder Düsengeschwindigkeit unterworfen, jedoch sind beide Bedingungen für die Erfindung nicht kritisch.

Die Tiefe der Legierungsschicht sollte so geregelt sein, daß eine bestimmte Legierungskonzentration der geschmolzenen Zone des Grundmetalls erreicht wird. Die Legierungsbestandteile (unabhängig davon, ob sie zugegeben wurden oder in der Grundmetallegierung inhärent vorliegen) sollten die geschmolzene Grundmetallzone anreichern, um wenigstens eine gesättigte feste Lösung nach dem Wiederschmelzen zu bilden. Im allgemeinen wird die Oberflächenlegierung vorwiegend auf die Steigerung einer von drei physikalischen Eigenschaften (Abnutzungsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit oder Korrosionsbeständigkeit) gerichtet, je nach der Anwendung und dem Gebrauch des behandelten Gegenstandes. Um optimale Abnutzungsbeständigkeit in der behandelten Zone des Gegenstandes zu ergeben, sollten die Legierungsbestandteile zu dem geschmolzenen Grundmetall in der Zone in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 bis 1:20 zugegeben werden. Dies kann grob geschätzt werden, indem eine Legierungsüberzugsstärke, die gleich oder bis hinab zu 1/20 der (Tiefe) Dicke des geschmolzenen Grundmetalls ist, aufgebracht wird. Dieser Bereich von Verhältnissen gewährleistet die Erzeugung intermetallischer Verbindungen in der geschmolzenen Zone nach der Verfestigung, wobei die Verbindungen den Hauptmechanismus der Erfindung zur Härtung nlcht-allotroper Grundmetalle über ein Wiederschmelzen mittels Strahl hoher Energie darstellen.

Zur Herbeiführung optimaler Dauerfestigkeit in der ge-

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wählten oberflächenbehandelten Zone sollte das Verhältnis im Bereich von 1:10 bis 1:20 liegen, um einen mageren LegierungsverdUnnungsgehalt zu ergeben und die Vermeidung intermetallischer Verbindungen sicherzustellen, während die Härtung durch Ausscheidung oder Alterungshärtung gefördert wird.

Zur Herbeiführung einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit in der gewählten oberflächenbehandelten Zone sollte das Verhältnis nicht weniger als 2:1 betragen. Es kann bevorzugt sein, praktisch reines Aluminium für den Legierungsbestandteil zu verwenden, wenn das Grundmetall eine Aluminiumlegierung, wie beispielsweise 390 oder 355 ist. Reineres Aluminium besitzt eine größere Korrosionsbeständigkeit als Aluminiumlegierungen.

Eine typische Vorrichtung zur Durchführung der Plasmaabscheidung ist in Fig. 13 gezeigt. Die Anordnung verwendet eine Plasmapistole bzw. ein Plasmastrahlsystem 15, das eine Gasbogenkammer 16 mit einer Auslaßverengung aufweist, die einen geraden Bohrungsabschnitt 17 und einen divergierenden Abschnitt 18 besitzt. Die Gaszufuhr 31 wird im linken Teil der Gaskammer 16 eingeführt, und ein Bogen wird über die Kammer mittels einer Bogenenergiezufuhr 19 erzeugt. Die metallischen und feuerfesten Pulver werden in die Pistole aus einer Pulverzuführvorrichtung 20 zugeführt und zu einem Vorerhitzungsrohr 21 gebracht, das durch eine Pulvervorerhitzungszufuhr 22 betrieben wird; das Pulver wird dann zu einer genauen Stelle in der Auslaßverengung mittels eines Durchgangs 23 gebracht, der etwas angewinkelt ist (bei 24 mit Bezug auf eine Mittellinie 25 des Durchgangs) und tritt In die Auslaßverengung genau an der Verbindung des Abschnitts mit gerader Bohrung und des divergierenden Abschnitte ein. Der Strom 13 aus der Plasmapistole wird auf den zu Uber-

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ziehenden Auftreffgegenstand 26 gerichtet. Der zu Überziehende Gegenstand wird von einem bewegbaren Träger 27 getragen, sodaß die Abscheidung der Pulver über einen breiten gewählten Bereich bzw. ein breites gewähltes Muster ermöglicht wird. Das Werkstück oder der Gegenstand 26 wird bei einem spezifischen elektrischen Potential mittels einer Übertragungsbogenenergiezufuhr gehalten, sodaß PlasmasprUhteilchen aufgenommen werden. Das gesamte Werkstück sowie der Plasmastrahl sind in eine Kammer 29 eingeschlossen, die durch eine Vakuumpumpe 30 evakuiert ist.

(4) Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht die nächste Stufe im Schmelzen, indem ein Strahl hoher Energie erzeugt, gerichtet und bewegt wird. Ein Strahl hoher Energie ist hier so definiert, daß er eine Gruppe oder Säule von Strahlungsenergie (unabhängig von der Quelle) mit einer mittleren Energiedichte von über 10 000 W/cm an der Grenzfläche mit dem zubehandelnden Metall bedeutet. Diese Stufe besteht in der Erzeugung eines energiereichen Strahls 32 von ausreichender Energie, der Richtung des Strahls auf eine gewählte ausgesetzte Zone 33 des Gegenstandes und der Bewegung des Strahls 32 hoher Energie längs einer vorbestimmten Bahn und bei einer spezifischen Geshwindigkeit, sodaß nicht nur die gewählte Zone des Kontakts zwischen dem Strahl und der Legierungsschicht 10, sondern auch ein bestimmter Teil des darunter angrenzenden Teils des Grundmetalls 11 schmilzt. Der Strahl beeinflußt zwei Zonen, wobei die erste ohne Schmelzen wärmebeeinflußt wird und eine zweite Zone innerhalb der ersten,die geschmolzen wird. Laserstrahlen werden anfänglich durch die Reflektionskraft aus dem Eintritt in eine bloße Aluminiumfläche etwas verzögert·, diese Verzögerung wird (a) durch BiI-

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dung eines geschmolzenen Hohlraums, wenn die Wärme die Oberfläche zerbricht und dadurch eine Konzentrierung der Strahlen ermöglicht und (b) durch die Anwendung eines PulverlegierungsUberzugs verringert. Die Laserstrahlen treten in den Gegenstand an der Grenzfläche mit hoher Energie ein, Jedoch geht bei einem defokussieren Strahl wenigstens ein Teil der Intensität durch Reflektion, Diffusion und Refraktion innerhalb des Gegenstandes verloren. Jedoch begünstigt dies die Kontrolle einer oberflächlichen durch den Strahl beeinflußten Zone.

Die Aufheizgeschwindigkeit des Grundmetalls muß relativ rasch sein, sodaß (a) Turbulenz in dem Punktschmelzbad erzeugt wird und (b) die Entfernung des Strahls hoher Energie rasches Abschrecken bzw. Abkühlen fördert. Die Absorptionseigenschaften des Grundmetalls müssen geregelt werden, um den Eintritt der Strahlstrahlen in das Grundmetall zu unterstützen und dadurch eine rasche Aufheizgeschwindigkeit zu fördern. Dies erfordert die Verwendung eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls· Es wurde durch experimentelle Untersuchungen gefunden, daß zum Schmelzen der abgeschiedenen Legierungsschicht (bestehend aus Silicium, Kupfer, Nickel und Kohlenstoff) mit einer Stärke von 0,15 mm (0,006 inch) (35) und zum Schmelzen des darunter angrenzenden Grundmetalls 11 auf eine Tiefe von 0,63 mm (0,025 inch) (36) die dem Gegenstand an seiner Oberfläche 37 erteilte Energie etwa 70 000 Watt/cm bei einem Strahlfleckdurchmesser an der Grenzfläche von 2,0 mm (0,08 inch) betragen muß. Dies kann durch Verwendung eines Laserstrahls erreicht werden, der durch eine Vorrichtung 38 (in jeder der Fig. 10 bis angegeben) erzeugt wird. Die Definition eines geeigneten Laserstrahls hoher Energie zur Durchführung der Oberflächenlegierung ist kritisch. Die Vorrichtung zur Erzeugung dee

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Strahls muß ein Energieausmaß von wenigstens 1 bis 6 KW aufweisen, um ein rasches Erhitzen und Schmelzen bei einer betriebsmäßigen Abtastgeschwindigkeit von 0,032 cm /see (0,005 inch /sec) zu erreichen. Bei Energiewerten unter 1 KW kann die Strahlgeschwindigkeit betriebsfähig nur 2,5 mm/min (0,1 inch/min) betragen, jedoch ist diese Geschwindigkeit technisch unzweckmäßig. Der Strahl 32 sollte auf einen Punkt 40 fokussiert sein, der in einem Abstand 41. von der Ebene der äußeren Oberfläche 37 des Gegenstandes (entweder oberhalb oder unterhalb) angeordnet ist; somit wird der Strahl mit Bezug auf die Grenzfläche mit der äußeren Oberfläche des Gegenstandes defokusslert und hat einen Durchmesser 39 an dieser Grenzfläche, der praktisch zwischen 2,5 bis 12,7 mm (0,01 bis 0,5 inch) variieren kann.

Es ist wichtig, das Zusammenspiel des Energiewertes des Strahls hoher Energie, der Abtastgeschwindigkeit oder relativen Bewegung des Strahls über die Oberfläche 37 des Gegenstandes und der Fleckengröße des Strahls an der Grenzfläche zu regeln. Darüber hinaus bedeutet der nachfolgend verwendete Ausdruck "regeln" das Aufeinanderabstimmen des Strahlgrenzflächenbereichs, der Abtastgeschwindigkeit und des Strahlenergiewertes zur Erzielung einer gewünschten Schmelzgeschwindigkeit und Kühlgeschwindigkeit für die durch den Strahl beeinflußte Zone. Der Energiewert an der Grenzfläche sollte wenigstens 10 000 Watt/cm betragen; die Fleckengröße an der Grenzfläche kann von 0,0052 cm² bis 0,32 cm² (0,0008 inch² bis 0,05 inch ) oder mehr variieren. Die lineare Geschwindigkeit sollte im Bereich von 25 bis 254 cm/min (10 bis inch/min) liegen. Richtige Regelung dieser Parameter führt zur erfolgreichen Temperaturverteilung in dem Grundmetall und zu erfolgreicher Oberflächenlegierung mittels Laser.

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Die erhaltene legierte Einsatztiefe 42 aus einem einzelnen Durchgang ist grundlegend proportional zum verwendeten Energieaufgabewert bei einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit. Die genauen Werte der Energiehöhen in Bezug auf die Abtastgeschwindigkeit für das spezielle Oberflächenlegierung smat er ial oder die Aufbringung hängt von dem Legierungsüberzug, dem Grundmetall und der gewünschten legierten Einsatztiefe ab. Die erhaltene Tiefe 42 des legierten Einsatzes oder der durch den Strahl beeinflußten Zone ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die Zone für einen einzelnen Durchgang ist im Querschnitt durch eine halbkugelförmige gefüllte Höhlung 43 mit einer festen Lösung aus legiertem Metall, das intermetallische Verbindungen enthält, dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die obere Oberfläche 44 der sich ergebenden legierten Zone höher ist, als die ursprüngliche Oberfläche des Gegenstandes.

Fig. 4 erläutert die Kontur des einzelnen Durchgangs entlang seiner Länge. Eine vollständige Oberfläche des Gegenstandes kann mit einem legierten Einsatz versehen werden, indem (1) mehrere Durchgänge eines defokussieren Strahle vorgenommen werden und (2) die Beeinflussungszone jedes Durchgangs überlappt wird, sodaß die durch den Strahl beeinflußte Zone 43 als eine Anzahl sich überlappender Rippen 46 bis 47, wie in Fig. 5 gezeigt, in Erscheinung tritt. Der Abstand und der Grad der Überlappung der Rippen kann variiert werden, um eine Mindestzonentiefe 48 herzustellen. Es ist ganz gut möglich, daß die Durchgänge durch einen breiten Abstand getrennt sind, sodaß lediglich ein Muster aus legierten Rippen oder Stegen auf dem Gegenstand auftritt, wobei derartige Legierungsstege die notwendige Abnutzungsbeständigkeit für die gesamte Oberfläche liefern können. Ferner kann die durch den Strahl beeinflußte Zone einem fokussierten Strahl (an der Grenzfläche fokussiert) unterworfen werden und pulsiert werden, um den Energiewert im Verhältnis mit dem Schmelzen zu halten.

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- -so -

Die bevorzugte Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls 1st in Fig. 9 wiedergegeben und umfaßt einen geschlossenen CC^-Gasstromkreislauf 61, wobei das Gas rasch durch ein Gebläse 62 bewegt wird und die Abführung von Wärme durch einen Austauscher 63 erfolgt. Die Laserentladung findet axial längs des Strömungswegs zwischen den Elektroden 64 und 65 statt. Die Laserstrahlentladung wird in dieser axialen Strömungsrichtung durch den GesamtUbertragungsspiegel 66 gerichtet und aus dem Lasererzeugungsgehäuse durch den Teilübertragungsspiegel emittiert.

In Fig. 10 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls aus Gas mit einer Strömung 68 quer zu der elektrischen Entladung zwischen den Elektroden 69 und 70 wiedergegeben. Der Spiegel 71 1st partiell übertragend.

In Fig. 11 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Lasers durch einen Elektronenstrahl 72 wiedergegeben; Unterhaltungselektroden 73 iind 74 sind in einem hohen Vakuum im Abstand voneinander angeordnet; die Elektronenemittiervorrichtung 75 sendet Elektronen durch Membrane 76 zu den Elektroden. Die Spiegel 77 und 78 wirken zusammen, um die Laser zu sammeln und sie durch den partiell übertragenden Spiegel 78 zu übertragen.

In Fig. 12 ist eine Vorrichtung zur Weiterleitung des Laserstrahls 79 aus der Lasererzeugungsvorrichtung 80 zu dem zu behandelnden Gegenstand 81 wiedergegeben. Der Strahl wird durch einen Spiegel 82 gedreht und durch eine Linse 83 mit einem bei 84 darin eingeführten Hilfsgas gesammelt. Die Strahlöffnung 85 regelt die Strahlfleckengröße an der Grenzfläche des Gegenstandes.

Die Laseroberflächenlegierung eignet sich Insbesondere bei solchen Anwendungen des Standes der Technik, wo (a)

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die Oberfläche eines Gegenstandes eine spezielle Legierungszusammensetzung zur Abnutzungs-, Korrosionsoder Wärmebestfindigkeit erfordert, (b) ein irreguläres Muster auf der Oberfläche eine spezielle Legierungszusammensetzung erfordert, (c) der erforderliche Legierungsgehalt nicht ökonomisch im Guß- oder Knetzustand erzeugt werden kann, (d) verschiedene Zusammensetzungen an verschiedenen Stellen der Oberfläche eines Gegenstandes notwendig sind, (e) eine metallurgische Bindung zwischen der speziellen Oberflächenschicht und dem Grundmaterial erwünscht ist, (f) die wärmebeeinflußte Zone in dem Grundmaterial auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden sollte, (g) die Oberflächenlegierung bei einer minimalen Wärmezufuhr erreicht werden muß, um Deformierung und Schädigung einer angrenzenden Komponente durch übermäßige Wärme herabzusetzen und (h) der gehärtete Einsatz eine hohe Härte selbst bei einer erhöhten Temperatur aufweisen muß.

Noch eine andere Vorrichtung, die zur Erzeugung eines Strahls hoher Energie gemäß der Erfindung geeignet ist, ist in Fig. 14 wiedergegeben. Die Vorrichtung stellt eine Elektronenschleuder dar, welche einen Strahl 86 aus Elektronen, die von einem erhitzten Faden oder einer indirekt erhitzten Kathode 87 ausgehen, aussendet. Die Kontrollelektrode 88 reguliert Strahlstrom und Spannung der Anode 89 und damit die Geschwindigkeit der Elektronen in dem Strahl. Das Produkt von Anodenspannung und Strahlstrom 1st die Strahlenergie· Die Fokusslerspule 90 regelt die Strahlfleckengröße unabhängig, sodaß die StrahlfleckengrBße Je nach Wunsch für verschiedene Spannungsund Abstandswerte eingestellt werden kann. Die Ablenkspulen 91 bewegen den Strahl von seiner neutralen Achsstellung weg,um den Strahl auf irgendeinen Punkt auf den Gegenstand 92 zu richten. Vier Spulen sind gewöhnlich er-

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forderlich, um den Strahl sowohl in der X-als auch in der Y-Richtung in der Ebene des Gegenstandes abzulenken. Der Gegenstand und die Schleuder teilen im wesentlichen die gleiche Vakuumkammer 93.

(5) Schließlich muß der Einfluß des Strahls von einer richtig geschmolzenen Zone des Gegenstandes bei einer ausreichend raschen Geschwindigkeit entfernt werden» die Masse des Gegenstandes muß im Hinblick auf das Volumen der geschmolzenen Schmelzzone proportioniert sein und das Metall des Gegenstandes muß mit einer ausreichenden thermischen Leitfähigkeit ausgewählt worden sein, um rasche Selbstabkühlung zu erreichen und dadurch, wenn gewünscht, die Bildung kleiner Teilchen intermetallischer Verbindungen oder gegebenenfalls einer gesättigten festen Lösung zu bilden. In fast sämtlichen Fällen, wo der Gegenstand ein Gußstück ist und die durch den Strahl beeinflußte Zone 3,2 mm (1/8 inch) oder weniger ausmacht, ist die Masse richtig proportioniert.

Wärmebehandlung

Der Hauptzweck der Oberflächenwärmebehandlung gemäß der Erfindung besteht darin, die Oberflächenabnutzungseigenschaften oder die Dauerfestigkeit bzw. Ermüdungslebensdauer nicht-allotroper Metallgegenstände mit minimaler Deformierung zu verbessern. Dies wird durch Manipulation eines defokussieren Strahls oder Oszillierung eines fokussierten Strahl^beides ohne Anwendung unabhängiger Legierungsmittel, erreicht, um die gewählte Zone des Gegenstandes wieder zu schmelzen und selbst abzukühlen· Der Mechanismus der Härtung ist Korn- und Teilchenveredlung bzw. Kornverfeinerungl dies kann auch zu erhöhten Härtung einer festen Lösung durch rasches Abschrecken führen, wodurch die Erzielung supergesättigter fester Lösung erleichtert wird.

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Wie in Fig. 7 gezeigt, wird die Wärmebehandlung ausgeführt, indem ein energiereicher Strahl 52 mit einem Energiewert von wenigstens 10 000 Watt/cm zum Wiederschmelzen eines typischen nicht-allotropen Grundmetalls entwickelt wird* die Energie in einem Strahl konzentriert wird, sodaß nach Kontakt mit der unbehandelten Oberfläch· des Gegenstandes ausreichend Energie die Grenzflächenzone 54 zum Schmelzen und das Grundmetall zu viel größeren Tiefen 55, in typischer Weise etwa 6,3 mm (0,25 inch) erhitzt. Dieser Strahl kann entweder durch eine Laser- oder eine Elektronenstrahlvorrichtung 53 erzeugt werden. Durch Regelung der Bewegungsgeschwindigkeit des Strahls und Proportionierung der Masse des Gegenstandes 56 im Hinblick auf die durch den Strahl beeinflußte Zone 54 findet rasche Abkühlung nach Entfernen des Strahls hoher Energie aus jeder strahlbeeinflußten Station statt.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung eines gewählten ausgesetzten Bereichs eines nicht-allotropen Metallgegenstandes zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften dieses Bereichs, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein nicht-allotropes Metall für den Gegenstand mit einer thermischen Leitfähigkeit von wenigstens 0,25 cal/ cm /cm/sec/°C gewählt wird,

(b) ein Strahl hoher Energie auf einen ausgesetzten Bereich des Gegenstandes gerichtet wird, um den Gegenstand an einer ersten Zone zu erhitzen und den Gegenstand an einer zweiten Zone innerhalb der ersten Zone auf eine vorbestimmte Tiefe zu schmelzen, wobei der Strahl einen Energiewert an der Grenzfläche mit dem Gegenstand von wenigstens 10 000 Watt/cm liefert,

(c) der Bereich der Strahlgrenzfläche, der Strahlenergiewert und die Geschwindigkeit der Verschiebung des Strahls längs des Gegenstandes zur Beschränkung der ersten Zone auf ein vorbestimmtes Volumen und zur Sicherstellung einer bestimmten raschen Aufheizgeschwindigkeit der ersten Zone geregelt wird und

(d) die Masse des Gegenstandes auf das Volumen der ersten Zone proportioniert wird, um eine rasche SelbstabschreckkUhlgeschwindigkeit der ersten Zone nach Entfernen des Strahleinflusses daraus herbeizuführen, wodurch eine feine Kornstruktur und feine Teilchen wenigstens in den zweiten Zonen bewirkt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn· zeichnet, daß entweder vor oder gleichzeitig mit der Richtung eines Strahls hoher Energie auf den Gegenstand

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ORIGINAL INSPECTED

ein geschmolzener Legierungsbestandteil in die zweite Zone eingeführt wird, um mit dessen Metall vermischt zu werden, wobei der Legierungsbestandteil ein Material mit einer Affinität für das nicht-allotrope Metall unter Bildung einer intermetallischen Verbindung damit umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlgrenzfläche mit dem Gegenstand und die Tiefe der zweiten Zone Jeweils zur Förderung von Turbulenz des geschmolzenen Metalls zum gründlichen Vermischen des geschmolzenen Legierungsbestandteils darin vor der Verfestigung geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl aus Laserstrahlen besteht und der Metallgegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Gegenstandes unterhalb der ersten Zone eine Stärke von wenigstens dem 5-fachen der Tiefe der ersten Zone aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl aus Elektronen besteht und der Metallgegenstand aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e -k e η η .ζ eichnet , daß der Strahl hoher Energie Strahlen umfaßt, die wie sichtbare Lichtstrahlen geregelt werden, wobei der Strahl einen Brennpunkt außerhalb der Ebene der Oberfläche des ausgesetzten Bereichs aufweist, wodurch die Strahlgrenzfläche mit dem Bereich auf wenigstens 0,00019 cm² (0,00003 square inch) geregelt wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl über den Bereich längs eines Umwandlungs- und Oszillationsweges bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl pulsiert wird, um entweder eine unterbrochene erste Zone zu erreichen oder eine vorbestimmte geregelte Tiefe der zweiten Zone zu beeinflussen.

10. Verfahren zum Legieren eines gewählten ausgesetzten Bereichs eines nicft-allotropen Metallgegenstandes zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften dieses Bereichs, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein den Gegenstand darstellendes nicht-allotropes Metallgußstück hergestellt wird, wobei das Metall eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 0,25 cal/cm /cm/ sec/¹C aufweist,

(b) ein Legierungsbestandteil angrenzend an den ausgesetzten Bereich angeordnet wird, wobei der Legierungsbestandteil im wesentlichen ein Material mit einer Affinität zur Bildung Intermetallischer Verbindungen mit dem nicht-allotropen Metall umfaßt,

(c) ein Strahl hoher Energie auf den gewählten ausgesetzten Bereich des Gegenstandes gerichtet wird, um den Gegenstand längs einer vorbestimmten Zone zu schmelzen und eine mit der Zone proportionierte Menge des Legierungsbestandteils zu schmelzen,

(d) die Grenzfläche des Strahls mit diesem Bereich, der Strahlenergiewert und die Verschiebungsgeschwindigkeit des Strahls längs des Gegenstandes geregelt werden, um

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die Zone auf ein bestimmtes Volumen zu beschränken, um ein rasches Aufheizen der Zone und die Erzeugung einer Turbulenz in dem geschmolzenen Metall und dem geschmolzenen Legierungsbestandteil sicherzustellen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des geschmolzenen und in einer entsprechenden geschmolzenen Zone des Gegenstandes gelösten Legierungsbestandteils so bemessen wird, daß sie im Bereich von 1:1 bis 1:20 (Legierungsbestandteil zu nicht-allotropem Metall in der Zone) liegt, wodurch die Zone eine Verf estigungsstruktur aufweist, die durch eine gleichmäßige feine Kornstruktur, einen hohen Grad der Anreicherung an Legierungselementen des Metalls in der Zone und eine homogene Verteilung der intermetallischen Verbindungen ausgezeichnet 1st, wodurch ein verbesserter Härtewert erreicht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des geschmolzenen und in einer entsprechenden geschmolzenen Zone des Gegenstandes gelüsten Legierungsbestandteils so proportioniert ist, daß sie im Bereich von 1:10 bis 1:20 (Legierungsbestandteil zu nicht-allotropem Metall in der Zone) liegt, wodurch die Zone eine Verfestigungsstruktur aufweist, die hauptsächlich erhöhte Dauerfestigkeit liefert und durch eine gleichmäßige feine Kornstruktur, die Abwesenheit intermetallischer Verbindungen und eine AlterungshBrtung fördernde feste Lösung ausgezeichnet fst.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge des geschmolzenen und in einer entsprechenden geschmolzenen Zone des Gegenstandes gelösten Legierungsbestandteils so proportioniert 1st, daß sie im Bereich von 2:1 (Legierungsbestandteil zu nicht-allotropem Metall in der Zone) vorliegt, wodurch die

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Zone grundlegend verändert wird und eine Verfestigungsstruktur aufweist, die vorwiegend erhöhte Korrosionsbeständigkeit liefert.

14. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß der Legierungsbestandteil Aluminium ist und das nicht-allotrope Metall eine Aluminiumlegierung ist, die weniger als 5% Legierungsbestandteile enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl mit Bezug auf das Metallgußstück längs einer Mehrzahl von Übertragungsbahnen bewegt wird, wobei die Bahnen einander benachbart sind, sodaß sie sich überlappen und angrenzende Zonen auf dem Gegenstand liefern.

16. Verfahren nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl durch eine Vorrichtung mit einer 0,5 KW-Bewertung von wenigstens 2 erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl aus Laserstrahlen besteht und das nicht-allotrope Metall aus einem Metall auf Aluminiumbasis besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß das nicht-allotrope Metall eine reflektionsfähige Oberfläche aufweist, wobei der Metallgußbereich mit einem Material zur Absorption der Strahlenergie überzogen ist, um die Absorption der Strahlen des Strahls innerhalb des Gußstücks zu erleichtern.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß der absorptionsfähige Überzug in einem bestimmten Muster zur Auswahl der Behandlung der Oberfläche

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des Metallgußstücks angeordnet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 10 bis 19» dadurch gekennzeichnet , daß der Legierungsbestandteil als ein überzug auf das Metallgußstück vor der Anwendung des Strahls hoher Energie abgeschieden wird, wobei die Abscheidung durch Plasmastrom erfolgt, wodurch der Legierungsbestandteil mechanisch und molekular auf der Oberfläche des Gußstücks längs der vorbestimmten Zone festgelegt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 10 bis 19, dadurch ge kennzeichnet , daß der Legierungsbestandteil als ein Draht gebildet ist, wobei der Draht in den Strahl hoher Energie geführt wird, um geschmolzen zu werden und in die geschmolzene Zone gebracht zu werden.

22. Verfahren nach Anspruch 10 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile mit Harz vermischt werden und auf das nicht-allotrope Metall gebürstet werden, bevor der Strahl hoher Energie auf den ausgesetzten Bereich gerichtet wird.

23. Verfahren nach Anspruch 10 bis 19, dadurch ge kennzeichnet , daß die Legierungsbestandteile in Pulverform vorliegen und in den Strahl hoher Energie zum Schmelzen und Legieren mit dem nicht-allotropen Metall eingeführt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 1 bis 23» dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl längs einer Mehrzahl gesonderter und im Abstand befindlicher Bahnen bewegt wird, wodurch die durch den Strahl beeinflußten Zonen Stege auf der freiliegenden Oberfläche des Gegenstandes bilden.

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