Licht in Form

Die Laserstrahltechnologien - Teil 3 -

Aufgrund der gestiegenen Anforderungen bezüglich Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Werkzeugen ist Verschleiß ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit der Fertigung. So ist zur Verschleißreduzierung neben einer geeigneten Werkstoffauswahl und Wärmebehandlung auch ein adäquates Oberflächenbehandlungsverfahren auszuwählen. Im dritten und letzten Teil der BBR-Serie über Laserstrahltechnologien wird das Nietrieren und Umschmelzen vorgestellt.

02. September 2002

Besonders beim Druckgießen sind die Werkzeuge komplexen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Bislang zum Verschleißschutz eingesetzte Nitrierschichten sind nur sehr dünn und verschleißen schnell. Da in vielen Fällen der Verschleiß zudem nur lokal auftritt, ist eine örtliche Behandlung der Werkzeuge ausreichend.

Eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Bauteilrandzonen wird in diesen Fällen durch die Laseroberflächenbehandlung mit den Verfahren Legieren und Dispergieren ermöglicht. Im Rahmen eines von der EU geförderten Projekts mit mehreren europäischen Unternehmen wird derzeit am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachen untersucht, inwieweit eine Kombination der Laseroberflächenbehandlung mit Nitrierverfahren zu einer Verbesserung des Verschleißverhaltens der Druckgießwerkzeuge führen kann. Dabei werden optimierte Legierungssysteme ermittelt. Das nachgeschaltete Nitrieren verleiht den mit Sondernitridbildnern legierten Randschichten eine höhere Härte sowie bessere Verschleißeigenschaften als konventionell bei Warmarbeitsstählen möglich. Schon durch eine Erhöhung der Standzeit um 50 Prozent werden enorme Kosten eingespart. Neben der geringeren Anzahl zu fertigender oder zu reparieren der Werkzeuge kommen Kostensenkungen durch geringere Rüst- und Maschinenstillstandzeiten aufgrund von weniger Werkzeugwechseln hinzu. Zur Zeit werden bei den beteiligten Unternehmen mehrere Werkzeuge im Produktionseinsatz getestet, um die Standmengesteigerungen statistisch abzusichern.

Das Laserstrahl-Umschmelzen

Wird die Leistungsdichte auf 106 W/cm² erhöht, ist es möglich Bauteile aus Stahl oder Gußeisen im Oberflächenbereich aufzuschmelzen. Die hier stattfindende rasche Erstarrung bewirkt, daß der Kohlenstoff nicht Graphit bildet, sondern mit dem Eisen eine Verbindung eingeht, die als Zementit (Fe3C) bezeichnet wird. Bei Grauguß werden damit sehr verschleißfeste, ledeburitische Gefüge mit duktilem Kern erreicht. Bei speziellen Legierungen entstehen aus der gesättigten Lösung metastabile Phasen und feinkristalline beziehungsweise amorphe Strukturen. Die umgeschmolzenen Randzonen haben ein feinkörniges, homogenes Gefüge mit hoher Festigkeit und Zähigkeit. Bei der Vielzahl von möglichen Anwendungen des Laserumschmelzens sind besonders bekannte Werkstücke wie Kipphebel, Nockenwellen oder Kolbenringe zu erwähnen.

Umschmelzen von Nocken mit Diodenlaserstrahlung

Bedingt durch immer leistungsfähigere Motoren bei vermindertem Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß ergeben sich auch höhere Anforderungen an Nockenwellen. In zahlreichen Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß Nocken mit ledeburitischen Randschichten diesen Anforderungen genügen. Zur Herstellung von ledeburitischen Randschichten an Gußnocken sind heute fünf Verfahren bekannt: der Schalenhartguß, das Umschmelzen mit dem elektrischen Lichtbogen (WIG), mit dem Elektronenstrahl, durch Induktionserwärmung und durch Laserstrahlung. Für das Umschmelzen von Nocken wurden bisher überwiegend CO2-Laser im Leistungsbereich von 5 bis 20 kW eingesetzt. Mit der Entwicklung von Hochleistungs-Dioden-Lasern (HLDL) im Multi-kW-Bereich eröffnen sich neue wirtschaftlich interessante Alternativen.

Oberfläche mit ledeburitischen Randschichten

Aufgrund ihrer charakteristischen Form stellt die Nocke besondere Anforderungen an die Bearbeitung, insbesondere im Nockenspitzenbereich. Eine Optimierung der Prozeßführung im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitungsstrategie mit Laserstrahlung wird durch die Lagerung der Nocke im Nockenspitzenmittelpunkt erreicht. Dadurch werden eine permanente Bearbeitung in Wannenlage, ein minimierter Gravitationseinfluß auf das Schmelzbad, eine konstante senkrechte Inzidenz der Dioden-Laserstrahlung und minimierte Beschleunigungen der bewegten Massen unter Einhaltung einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit sichergestellt. Mit einem am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen entwickelten wellenlängengekoppelten HLDL mit einer maximalen Laserleistung von 750 W, wurden ledeburitische Randschichten an der Nockenoberfläche erzeugt.

Bei einer konstanten Strahlabmessung von etwa 2 mm x 4 mm und einer Laserleistung von 600 W wurden Nockenoberflächen umgeschmolzen. In Abhängigkeit von den Prozeßparametern wurden durch überlappende Bearbeitung ledeburitische Randschichten bis zu einer Schmelztiefe von 0,7 mm bis 1,5 mm erzielt.

Erschienen in Ausgabe: 05/2002