Laserhärten
Das Verfahren

Für Stähle und Gusswerkstoffe mit starker, lokaler Beanspruchung hat sich zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit das Laserstrahlhärten etabliert. Dank der guten Zugänglichkeit mit dem Laserstrahl ist das Verfahren sowohl für große als auch für kleine Bauteile geeignet, dabei entsteht durch gezielten Wärmeeintrag nur geringer Verzug.
 

Auf dieser Seite möchten wir Ihnen das Verfahren näherbringen und aufzeigen,
welche Möglichkeiten für Ihre Fertigung und Ihre Bauteile daraus resultieren.
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kontaktieren Sie uns bitte direkt über unser Kontaktformular.

Verfahren

Das Laserhärten gehört zu den Oberflächen- oder Randschichthärteverfahren und findet Anwendung an Stählen und geeigneten Eisengusswerkstoffen. Durch Absorption des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks werden in kürzester Zeit Temperaturen (mit einer Aufheizrate von ca. 1000 K/s) erzeugt, welche für eine Austenitisierung des Werkstoffgefüges sorgen. Durch Relativbewegung des Laserstrahls zur Oberfläche werden eine Heizzone (unter dem Laserstrahl) und eine Abkühlzone (im Nachgang zum Laserstrahl) über die Oberfläche des Werkstücks bewegt. Aufgrund der Tatsache, dass das aufgeheizte Materialvolumen gering ist, kann in der Abkühlzone nach dem Laserstrahl durch Wärmeleitung die Energie so schnell im Grundwerkstoff abgeführt werden, dass es zur Selbstabschreckung kommt, d.h., dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist und es in der Konsequenz zur martensitischen Umwandlung und zur Härtung des Stahls kommt.

Prozess und Werkstoffe

Für größtmögliche Prozesseffizienz verwendet man eine linienförmige oder rechteckige Strahlgeometrie, welche, wie im Beispiel gezeigt, relativ zur Oberfläche bewegt wird. Hierzu kommen spezielle, strahlformende Optiken oder Scanner zum Einsatz. Als Prozessvariante kann man an rotationssymmetrischen Bauteilen das Laserhärten mit Hilfe eines heißen Rings durchführen. Eine Welle wird beispielsweise mit sehr hoher Geschwindigkeit rotiert, während der Laser in radialer Richtung auf das Bauteil gerichtet ist. Die Erwärmung des Bauteils erfolgt somit umlaufend. Die hohen Drehzahlen sorgen dafür, dass das Bauteil noch ausreichend erhitzt ist, wenn die Laserstrahlung nach einer Umdrehung des Bauteils erneut an gleicher Stelle auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkt. Der dabei entstehende heiße Ring wird dann durch eine Bewegung des Bearbeitungskopfes in axialer Richtung über das Bauteil hinweg geschoben.
Die erforderliche Leistungsdichte für eine erfolgreiche Härtespur liegt bei rund 1 kW/cm². Daraus ergeben sich die maximal erreichbaren Abbildungsverhältnisse, welche wiederum maximale Spurbreiten und realisierbare Vorschubgeschwindigkeiten festlegen, je nach Maximalleistung der eingesetzten Strahlquelle.
Alle Stähle und Gusswerkstoffe mit einem hinreichenden Perlitanteil können mit Hilfe des Verfahrens gehärtet werden. Die Einhärtetiefen sind mit Hilfe einer geeigneten Prozessführung zwischen 0,2 mm und 1,5 mm (in einigen Fällen auch darüber) einstellbar. Beispiele für geeignete Werkstoffe und erzielbare Härtewerte sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Aufgrund der kurzen Aufheizzeiten und damit verbundenen, hohen resultierenden Temperaturen zur Erreichung einer Austenitisierung, kann der Temperaturabstand bis zum Anschmelzen der Oberfläche sehr gering sein, sodass eine von ERLAS entwickelte temperaturgeregelte Prozessführung unerlässlich ist, um eine stabile Prozessführung zu gewährleisten.

Erreichbare Härte in HRC

Materialnummer DIN Bezeichnung Härte [HRC +/- 3]
1.1730 C 45 W 57
1.2311 40 CrMnMo 7 57
1.2320 60 CrMo 10 7 60
1.2333 59 CrMo 18 5 60
1.2343 X 38 CrMoV 5 1 55
1.2363 X 100 CrMoV 5 1 62
1.2738 40 CrMnNiMo 8 6 57
1.2767 X 45 NiCrMo 4 57
1.4923 X 22 CrMoV 5 1 50
1.7225 42 CrMo 4 57
1.8159 50 CrV 4 59
0.6025 GG 25 CrMo 59
0.7070 GGG 70 L 61

Prozessvorteile und Anwendungen aus der Praxis

ERLAS ist aufgrund langjähriger Erfahrungen bei der Bearbeitung vielseitigster Aufgabenstellungen sowohl in der Lohnfertigung als auch im Bau von Sondermaschinen ein führender Dienstleister für das Laserstrahlhärten. Die Integration von Sonderlösungen und Entwicklung vieler Prozessen machen ERLAS zum Experten der Lasertechnik. Die im Hause ERLAS und dessen Partner verfügbaren Laserstrahlquellen und Führungsmaschinen bieten größtmögliche Anwendungsflexibilität. Je nach Anforderungen werden Anlagen mit angepasster Systemtechnik ausgestattet und in Betrieb genommen. Die Motivation, dieses Verfahren einzusetzen, resultiert insbesondere aus folgenden Vorteilen:

  • Partielles Randschichthärten - Härte und Wärmeeintrag nur an ausgewählten Bereichen des Bauteils
  • Geringer Verzug im Vergleich zu anderen Härteverfahren
  • Selbstabschreckung mit hohen Abkühlraten – keine Fremdmedien erforderlich
  • Hohe Oberflächenhärten bei feinkörnigem Gefüge aufgrund der kurzen Temperaturzyklen
  • Hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit durch in-axis Temperaturmessung. Die Leistungsregelung wurde bei Festkörper- und Diodenlasern
    von ERLAS in den eigens entwickelten Bearbeitungsköpfen erfolgreich umgesetzt
  • Sichere Bearbeitung auch am Einzelstück, nahezu unabhängig von Bauteilgröße und Stückgewicht
Querschnitt einer Randschichthärtung+
Querschnitt einer Randschichthärtung
Härtevorgang einer Kurbelwelle+
Härtevorgang an einer Kurbelwelle
Querschnitt einer 60 mm breiten Härtespur+
Querschnitt einer 60 mm breiten Härtespur

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