Licht in Form

Die Laserstrahltechnologien -Teil 2-

In Teil 1 dieser Serie (Bänder Bleche Rohre 7/8 2001) wurden bereits das laserunterstützte Biegen, Drückumformen, Drehen, Fräsen und Brennabtragen behandelt. In diesem Beitrag werden die Laserstrahlverfahren Härten, Nitrieren und Umschmelzen vorgestellt.

12. August 2002

Beim Laserstrahlhärten wird der Werkstoff lokal sehr schnell über die Temperatur der Austenitisierung erhitzt. Der Temperaturanstieg erfolgt in diesem Bereich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1.000 °C/s. Die ausschließliche Erwärmung der Oberfläche führt dazu, daß die Wärmemenge rasch in das Werkstückinnere abgeführt wird. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit wird dabei überschritten - es bildet sich ein martensitisches Gefüge. Die pro Werkstück aufzuwendende Energie ist kleiner als bei anderen Verfahren, weil der Laserstrahl nur die für die tribologischen Eigenschaften relevanten Zonen umwandelt. Das Trennen der Funktionen von Grundwerkstoff und Oberfläche ist Voraussetzung für einen gezielten Einsatz der Leichtbauweise in der metallverarbeitenden Industrie. Der Grundwerkstoff übernimmt die Festigkeits-Steifigkeitsfunktion, die Oberfläche die tribologische Funktion. Die Verschleißeigenschaften von bewegten Bauteilen verbessern sich dadurch bei kleinerer Masse erheblich.

Alle härtbaren Stähle und Grauguß

Beim Härten bewegt sich der Laserstrahl über das Werkstück. Die absorbierte Laserleistung heizt die Oberfläche auf. Selbstabschreckung, das heißt Wärmeleitung in das Grundmaterial bewirkt die für die Härtung erforderlichen Abkühlraten. Neben den Werkstoffparametern bestimmen die absorbierte Leistungsdichte und die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Laserstrahl den Härtevorgang. Das Härten mit dem Laser ist für alle härtbaren Stähle und auf Grauguß anwendbar, zum Beispiel C45, 42CrMo4, Cf53, Ck67, 50Cr4V, 100Cr6, 30CrNiMo8 oder 56NiCrMoV7V. Die notwendigen Leistungsdichten im Laserstrahl bewegen sich dabei zwischen 10³ und 105 W/cm². Die erforderlichen Einwirkzeiten liegen bei 10-2 bis 101 s. Die Härtetiefe ist abhängig von der Bauteilgeometrie, der Laserleistung und dem Absorptiongrad des Werkstücks. Es können Einhärtungen im Bereich von einigen zehntel Millimetern bis etwa 2,5 mm erreicht werden. Ein durch Facettenspiegel oder Strahlintegratoren erzeugter, rechteckig geformter Strahlquerschnitt mit entsprechender Leistungsdichteverteilung bewirkt eine gleichmäßige Härtespur. Die Vorteile des Laserstrahlhärtens gegenüber Verfahren wie Induktions- oder Einsatzhärten sind:

- präzise Begrenzung der Härtezone

- Härtung auch an schwer zugänglichen Bereichen

- geringe Spannungen und Verzug

- keine Abschreckmittel erforderlich

- hohe Flexibilität und daher besonders für die automatisierte Fertigung geeignet

Neue Möglichkeiten durch Temperaturregelung

Bisher ist das Laserstrahlhärten als ein Verfahren bekannt, mit dem Bauteile des Werkzeugbaus, des Fahrzeugbaus sowie der Fördertechnik zwecks Verschleißschutz veredelt werden können. Besonderes Merkmal des Laserstrahlhärtens ist das lokale Härten von Bauteilbereichen und der im Vergleich zu anderen Härtungsverfahren minimale Bauteilverzug. Vorteil der Laserstrahlbehandlung ist die zeitlich und örtlich präzise Wärmeenergieeinbringung. Zur Erreichung maximaler Härtewerte und reproduzierbarer Einhärtetiefen ist es jedoch notwendig, eine geregelte Prozeßführung beim Laserstrahlhärten einzusetzen. Dazu wird am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) eine 2-kW-Nd:YAG-Laserstrahlquelle, ein 6-Achs-Knickarm-Roboter zur Strahlführung, ein Quotientenpyrometer zur berührungslosen Temperaturmessung und ein softwaregestützter Regler „TemCon“ verwendet. Durch die am LZH entwickelte Temperaturregelung „TemCon“ ist eine stabile Prozeßführung gewährleistet, so daß Oberflächen und Werkstoffinhomogenitäten ausgeglichenwerden können, um Bauteilschädigungen wie zum Beispiel Anschmelzungen zu vermeiden. Ferner ist mit dem Roboter die 3D-Bearbeitung von Bauteilen komplexer Geometrieverhältnisse möglich.

Verzugsarm mit reproduzierbaren Einhärtetiefen

Im Rahmen eines AiF-Vorhabens in Zusammenarbeit mit dem EFB wurden unter Verwendung des bestehenden Temperaturregelungssystems CVD-beschichtete Schneidwerkzeuge erfolgreich nachgehärtet. Um bei Schneidwerkzeugen geringe Reibwerte, hohe Härte und gute chemische Resistenz zu realisieren, werden auf den industriell relevanten Werkstoff X155CrVMo12-1 mittels CVD-Verfahren (Chemical Vapor Depositon) 6 bis 10 Nm dicke Schichten aufgebracht, die aus TiN, TiC sowie Ti(C,N) bestehen. Durch die CVD-Schichtaufbringung wird der zuvor durchgehärtete Grundwerkstoff bei Temperaturen um T=1.000°C über einen Zeitraum von 4 bis 5 Stunden angelassen. Mittels Laserstrahlhärten können die auf Maß gefertigten Schneidwerkzeuge verzugarm mit reproduzierbaren Einhärtetiefen veredelt werden. Die erreichte Grundwerkstoffhärte liegt bei 1.000 HV und Bewirkt eine gute Stützwirkung der harten CVD-Schichten (2.000 bis 3.000 HV). Der Nutzen des Laserstrahlhärtens CVD-beschichteter Bauteile liegt in der Produktivitätssteigerung sowie in der spezifischen Werkzeugkostensenkung. Neben Scherschneidwerkzeugen können auch andere CVD-beschichtete Bauteile zum Beispiel des Werkzeugbaus mit diesem Verfahren veredelt werden.

Härten von Torsionsfedern mit Diodenlasern

Torsionsfedern aus rundem Federstahldraht werden heute in vielen Pkw-Baureihen eingesetzt, um in Verbindung mit Türfeststellern die Fahrzeugtüren in unterschiedlichen Stellungen zu halten. Zwischen den Rollen der Türfeststeller und den Torsionsfedern tritt bei Bewegung der Fahrzeugtüre eine linienförmige und wechselnde Belastung auf. Diese Belastung führt während der Nutzungsdauer eines Pkw zu Verschleiß an der Torsionsfeder und somit zur Notwendigkeit des Nachschmierens der Kontaktstelle während der Wartungsintervalle der Pkw. Da die Pkw-Hersteller die Wartungsintervalle deutlich verlängern wollten, mußte der Verschleiß der Torsionsfedern an den Kontaktstellen zum Scharnier erheblich reduziert werden. Dieses wird durch partielles Oberflächenhärten der Torsionsfedern mittels eines Diodenlasers erreicht. Mittels der Produktionsanlage zur Härtung der Oberfläche der Torsionsfedern wurde ein sehr reproduzierbarer Prozeß installiert. Seit März 1999 sind zwei Produktionsanlagen kontinuierlich in Betrieb und konnten jeweils 5 Millionen Federn pro Anlage herstellen. Während der Produktion dieser Federn traten im Bereich der Laseranlage keine wesentlichen Störungen auf. Die Verfügbarkeit der Laser lag bei nahezu 100 Prozent und neben der regelmäßigen Wartung war bisher kein Austausch der Laserköpfe erforderlich. Stichproben zur Überprüfung der Anlage, sowie der Prozeßkontrolle haben die volle Funktionalität, insbesondere der Prozeßkontrolle, bestätigt.

Titanhärten durch Gaslegieren

Ein weiteres Härteverfahren wird erst durch das Laserstrahl-Gaslegieren ermöglicht: Die wegen ihrer hohen Festigkeit und chemischen Beständigkeit bekannten Titanlegierungen besitzen nur eine geringe Verschleißbeständigkeit. Durch das Gaslegieren kann diese erheblich verbessert werden. Die hohe Affinität von Titan zu Gasen wie N2, O2 und C-haltigen Gasen, zum Beispiel CH4, wird beim Laser-Gaslegieren genutzt.

Mit dem Laser wird auf der Oberfläche einer Titanlegierung ein Schmelzbad erzeugt und eines der vorgenannten Gase zugeführt. Beim Einsatz von N2 oder CH4 als Prozeßgas bilden sich in der Schmelze die Verbindungen TiN oder TiC. Diese Verbindungen mit hoher Härte sind in der Werkzeugindustrie bekannte Beschichtungswerkstoffe für Verschleißschutzschichten. Die Hartstoffe scheiden sich dendritenförmig in der umgeschmolzenen Schicht aus und sind von einer Metallischen Matrix umgeben. Dies führt zu einem innigen Verbund und entsprechend guter Haftung der Partikel in der Schicht. Gegenüber den konventionellen Diffusionsverfahren, bei denen die Prozeßzeiten im Stundenbereich liegen, sind die Zeiten lasergaslegieren sehr kurz. Innerhalb von wenigen Sekunden ist durch Variation der Gaszufuhr sowie Veränderung der Prozeßparameter die gewünschte Härte sowie Legierungstiefe von etwa 0,5 mm einstellbar.

Präzise härten

Das Härten von Stahloberflächen mit Laserstrahlung hat den Vorteil, daß sich die Härtegeometrie über Prozeßparameter definiert einstellen läßt und auch komplizierte Formen und Muster härtbar sind. Zum Beispiel gilt das für Spitzen und Kanten an Zahnflanken und Sägeblättern. Durch Strahlführung und Strahlformung lassen sich vielfältige Härtemuster erzeugen, wobei in der Praxis häufig Ringstrukturen, Spiral- und Wabenmuster verwendet werden. Die Härtezone läßt sich präzise begrenzen, und auch schwer zugängliche Bauteile lassen sich härten. Es entstehen nur geringe Spannungen im Werkstoff und ein geringer Bauteilverzug; es sind keine Abschreckmittel erforderlich. Titan und seine Legierungen sind zwar hochfeste und chemisch äußerst beständige, aber nur wenig verschleißbeständige Werkstoffe. Die Verfahrenstechnik macht sich die hohe Affinität von Titan zu Gaset zunutze und erzeugt durch Zufuhr von stickstoff- oder kohlenstoffhaltigen Gasen in die Titanschmelze verschleißfeste Oberflächen. Mit dem Laserstrahl-Gaslegieren sind die gewünschte Oberflächenhärte und Legierungstiefe innerhalb weniger Sekunden zu erreichen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2002