07 Novembre 2017  |  Traitement de surfaces
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 03/2017

Qualitätsanforderung an das Laserstrahlhärten

Dr.-Ing Eberhard Haack und M.Eng. Jonathan Schubert

Das Laserstrahlhärten ist in der Industrie zwar bekannt, aber in der Anwendung weniger alltäglich, obwohl es viele Anwendungsbereiche gibt, bei denen ein echter Effizienzsprung erreicht werden kann. So lassen sich die Lieferzeiten für Härtungen um gut 90 % verkürzen. Dergleichen gilt auch für den Energieaufwand.

Le durcissement aux rayons laser est certes connu dans l’industrie, mais son application est moins courante, bien qu’il existe de nombreux domaines d’application permettant véritablement d’accroître l’efficacité. Les délais de livraison pour le durcissement, tout comme les besoins énergétiques peuvent ainsi être réduits de quelque 90 %.

Das Laserstrahlhärten ist eine Hochtechnologie zur Härtung ausgewählter Bereiche von Werkstücken aus Stahl mit einem Kohlenstoffanteil >0,3 % bis Konzentrationen von Grauguss-Werkstoffen über 2 %. Durch eine konzentrierte Wärmeeinbringung und Selbstabschreckung durch die Masse der Werkstücke und Bauteile entsteht die Härtung im Bereich der Laserspur. Damit entsteht ein Verbundwerkstoff im Bereich der Laserspur nicht nur mit höherer Härte sondern auch bezüglich der Festigkeit. Zudem lassen sich Schwingungen bedeutend beeinflussen. Es besteht in der Regel das Ziel, Verschleissschutz und Funktionsbereiche wie Kraftübertragungen an Passfedern oder Zahnrädern zu verbessern. So sollen Dichtflächen von Spritzgiessformen oder Lagerstellen mit dem Randschicht-Härteverfahren geschaffen werden. Dabei sind Eindringtiefen von 1 bis 1,8 mm stahlartabhängig erreichbar.
 
Dickrandvergütung einer Schnecke gegen Druckverlust und Abrieb.
 
 
Qualitative Laserstrahlhärtung
Neu ist die Anwendung zu einer wirklich garantierten Herstellung von dünnwandigen Hochleistungswerkzeugen aus Stählen mit Chromgehalten von mehr als 14 bis 22 % und Kohlenstoffgehalten über 1 % mit garantierten Einhärtetiefen und Härtekennwerte als wiederholbares Qualitätsmerkmal. Hier ist keine gesicherte Selbstabschreckung durch fehlende Masse und durch die Werkstoffeigenschaften mit Martensit-Startpunkten (Ms) in der Nähe der Raumtemperatur und den Matensit-Finishpunkten im Temperaturbereich unterhalb der Raumtemperatur möglich. Durch diese Tatsache sind Laserstrahlhärtungen als Technologie mit anderen Erkenntnissen und Verfahren zu erweitern. Daraus hat sich durch die Anforderungen das qualitative Härten als erweiterte Technologie abgeleitet.
Bei der marktüblichen Laserdienstleistung wird das Verfahren dadurch bestimmt, dass das Bauteil mit einer ausgewählten Temperatur erwärmt und die Energie mit einem bestimmten Laservorschub in den Stahl eingebracht wird. Die entstehende Härte ergibt sich dann letztlich aus dem Bauteil mit seiner Masse.
Die qualitative Laserstrahlhärtung geht von der Stahlart aus, mit einer eigenen Analyse der Legierung und der Feststellung des angelieferten Vergütungszustandes. Aus der durch den Auftraggeber gestellten Härteaufgabe wird eine umfassende Technologie als Bearbeitungsregime mit der nachfolgenden Qualitätssicherung bis zum Nachweis des Härteergebnisses durch metallografische Schliffe aufgestellt.
Die Anwendungen der qualitativen Laserstrahlhärtung umfassen die Forschung sowie die Entwicklung hocheffektiver Fertigungstechnologie, die Herstellung von Einzelteilen sowie von Präzisionsteilen mit ausgewähltem Bedarf an Verschleissschutz, differenzierte Härtebereiche an Bauteilen wie Giessformen, Nockenwellen, Dünnblechwerkzeuge mit externer Kühlunterstützung und ähnlichem.
 
Pumpengehäuse mit Verschleissschutz durch Laserspuren.
 
 
Voruntersuchungen in kritischen Fällen
In kritischen Fällen gibt es gemeinsam mit einem externen Werkstoff-Prüflabor Voruntersuchungen sowohl für die Aufgabenstellung als auch für den abschliessenden Qualitätsnachweis. Hier arbeitet LHW mit dem Prüflabor Block in Berlin zusammen. Dazu kommt eine Mitwirkung bei der Produktentwicklung der Kunden, zum Beispiel durch Zuverlässigkeitsprüfungen der Werkzeugstabilität und im konkreten Fall der Prüfung der Leistungsfähigkeit der Schneiden. Das Unternehmen beherrscht beide Anwendungen des Laserstrahlhärtens: die marktübliche Laserdienstleistung und die qualitative Vergütung von Werkzeugen mit definierten Vorgaben zum Erreichen gleicher Qualität.
Die Anwendung des Laserstrahlhärtens bei LHW ist durch den Robotereinsatz sehr flexibel und mit wenigen Vorbereitungen in der Vergütung von Bauteilen und -gruppen von Maschinen einsetzbar. Dabei ist das Härten ebenso effektiv, wie es sonst bei allen Arten der Laseranwendungen bekannt ist. Es ist schnell, sparsam, formunabhängig, nachrüstbar und effektiv mit hoher Sicherheit in der Ausführung. Eine Bearbeitung von Einzelteilen ist nach Absprache innerhalb von 24 bis 36 h möglich.
Bei der Dienstleistungshärtung sind die täglichen Aufgaben im Standardbereich die Bearbeitung von Kleinteilen, von Präzisionsteile mit geringster Massänderung bis zu grossen Pumpengehäuse, Seillaufrollen und Grossmatrizen mit mehreren 100 kg Gewicht. In der qualitativen Laserstrahlhärtung werden Funktionsschichten wie Schneiden und massenlose Gefügestabilisatoren zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit und zur Verringerung der Bauteildicken mit Materialeinsparung angewendet. Die Gefügestabilisatoren sind Laserspuren mit höherer Festigkeit, die im Bauteil eine hohe Formsteifigkeit und eine bedeutend verringerte Schwingungsneigung erzeugen. Diese Wirkung kann man als Konstruktionslösung über die FEM-Analyse bei der Auslegung von Bauteilen nutzen. Die Vertiefung dieser Ergebnisse zur allgemeinen Anwendung ist zurzeit noch auf Einzelanwendungen und den Forschungsbereich begrenzt.
 
Laserstrahlhärten bietet die Möglichkeit, die Ursachen der Messerzerstörung zu mindern.
 
 
Laserstrahlhärten verlängert Lebensdauer
Ein Beispiel für die Möglichkeiten des Laserstrahlhärtens ist die Verlängerung der Lebensdauer von Messern für Fleischereimaschinen, sowohl bei Fleischwolf- als auch bei Kuttermessern. Letztere werden zur Feinbrätherstellung bei Wurstmassen eingesetzt und haben eine Umlaufgeschwindigkeit von rund 700 km/h. Diese Dünnblechwerkzeuge sind maximalen Belastungen durch Schläge oder Schwingungen ausgesetzt. Die Hauptlast entsteht durch Schwingungen über den Lebenszyklus der Werkzeuge. Es tritt sehr häufig die Bruchursache durch Materialermüdung ein. Forschungen dazu zeigen Beispiele dem Problem beizukommen.
Das Laserstrahlhärten bietet die Möglichkeit, die Ursachen der Messerzerstörung zu mindern, indem der weiche Messerkörper mit Laserspuren zur Stabilisierung versehen wird. In Versuchen zeigte sich, dass die lasergehärteten Kuttermesser das kleinste Schwingungsvolumen und eine kurze Schwingungsdauer im Vergleich zu volumen- oder ungehärteten Messern haben.
 
Fleischwolfmesser ohne Funktionshärtung (oben) und mit Funktionshärtung (unten); links sind die Messer im Originalzustand und rechts nach einem Havariefall.
 
 
Funktionshärtung übertrifft DIN-Norm
Im Gegensatz zur Technologie nach der DIN-Norm werden die Messer nicht mehr volumengehärtet sondern nur noch mit Funktionshärtungen an den Schneiden mit einer Laserspur vergütet. Die Naben haben in der Werkzeugkombination die Aufgabe einer lagernden Welle. Als Verschleissschutz gegen Abrieb erfolgt hier auch die Härtung. Nach DIN wird die Nabe weichgeglüht, um schlagartige Kräfte aufzunehmen. Solche Maximalbelastungen werden vom gesamten Messerkörper im weichen Zustand abgefangen und verhindern gleichzeitig die Totalzerstörung der Werkzeuge und einen Maschinenschaden mit Rohstoffverlusten.
Das Messer entspricht nicht mehr der DIN-Norm und ist dem Stand der Technik funktionell überlegen. Zudem verringert sich der Energieverbrauch bei der Laserhärtung im Vergleich zur Volumenhärtung um 75 %, und die Fertigungsdauer sinkt von 10 auf 0,3 h.
Allerdings sind Dünnblechwerkzeuge nicht in der Lage, die für den Härteprozess notwendige Selbstabschreckung zu sichern. Damit fehlen die erreichbaren Härten für die Funktion als Werkzeug. Deshalb wurde die Technologie der sofortigen Nachkühlung, der Laserspur folgend, entwickelt. Damit gelingt es, auch sehr dünnwandige Werkstoffe gezielt und schnell bis zum Martensit-Startpunkt und weiter herunter zu kühlen, um eine gute Härtung sicherzustellen. Auf diese Weise können Bleche mit einer Wandstärke von 1,5 mm gut gehärtet werden.
 
Laserstrahlhärtung von Fleischwolfmessern.
 
 
Zusammenfassung
Das Laserstrahlhärten ist eine Hochtechnologie mit einem sehr grossen Potenzial zur Verbesserung der Effektivität von Härteprozessen, Verschleissschutz und völlig neuen kombinierten Fertigungstechniken über den reinen Verschleissschutz hinaus. Die Technologieentwicklung und komplexe Qualitätssicherung ist dazu der Schlüssel. Das Problem besteht nun darin, dass diese Feststellung durch nicht ausreichendes Wissen in den täglichen Anwendungen noch nicht angekommen ist. Deshalb vegetiert das Verfahren unter dem Begriff Randschichthärten mehr dahin und wird dem ausgereiften Verfahren der Induktionshärtung gleichgesetzt. Nur dort gibt es die Breitenanwendung mit hoher Effektivität.
Der Beitrag soll aufzeigen, dass mehr Wissen erforderlich ist. Dies fängt beim Anlagenhersteller an, der die Anwendungsmöglichkeiten aufzeigen muss, diese mit seinen Kunden weiterentwickelt und der Fachwelt anbietet. Wenn es, wie am Beispiel der Wolfmesser aufgezeigt, zwischen Abgabe zur Härtung und Rücklieferung aus der Härterei die Bereitstellungszeit von etwa 3 Wochen auf 3 bis 4 h (im Einzelfall auch auf Minuten) verringert wird, ist dies ein Beweis des Vorteils bei der Anwendung der Lasertechnik. Gleich verhält es sich auch bei Spritzgiessformen ohne Nacharbeit und unter Einhaltung der Zuverlässigkeitsprüfung: Herstellung von 1 Mio. Spritzgussteilen ohne dass Mängel an den Teilen beziehungsweise an den Formen auftraten.
 
Effektivität des Laserstrahl-Härteverfahrens im Vergleich zur Volumenhärtung am Beispiel von Fleischwolfmessern.
 
 
Die Masshaltigkeit an hochpräzisen Teilen ist minimal im Plusbereich, da mit der Härtung eine Volumenzunahme im Gefüge eintritt. Damit kann die vorgegebene Masshaltigkeit nach dem Härten wieder hergestellt werden.
Die Bauteilfestigkeit (ungehärtet) lässt sich in sehr vielen Fällen vernachlässigen, da bereits die Eigengeometrie mehr als 80 % der Stabilität durch die Konstruktion mitbringt und nicht erst durch das Härten erzeugt wird. Die elastischen Eigenschaften, wie am Kuttermesser als Stabiltät gegen Seitenkräfte, können durch eine geeignete Laserspuranordnung mit höherer Festigkeit zur Zug- beziehungsweise Druckaufnahme eingebaut werden.
 
Dr. Eberhard Haack
Geschäftsführer
Inofex GmbH
Marta-Brautzsch-Strasse 8
D-06108 Halle/Saale
Tel. +49 345 225 08 12
Fax +49 345 225
dr.haack@inofex.de
 
LHW GmbH
Am Winkel 11
D-15528 Spreenhagen
Tel. +49 3363 369 83 67
Fax +49 3363 369 83 68
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