Oberflächentechnik Laserhärten beschleunigt Fertigung zerspanter Werkzeuge und Bauteile

Der Laser ermöglicht ein partielles, verzugsarmes Härten von teils fertig zerspanten Werkstücken und Werkzeugen. Das ist im hohen Maß bei der Anwendung von Hochleistungsdiodenlaser der Fall. Die Nachbearbeitung wird minimiert, sie kann sogar vermieden werden. Die Teile stehen sofort für weitere Prozesse zur Verfügung.

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Das Härten dient der Erhöhung der Festigkeit oder des Verschleißwiderstands. Man unterteilt die Härteverfahren in das Ofenhärten, in Nitrierverfahren, aber auch in partiell wirkende Randschicht-Härteverfahren wie das Flammhärten, das Induktionshärten und das Laserhärten mit jeweils unterschiedlicher Einhärtetiefe und Konturtreue. Beim Ofenhärten kann das Bauteil entweder randschichtgehärtet oder durchgehärtet werden. Beim Nitrieren erzeugt man mit sehr geringer Einhärtetiefe (Eht) eine umfassend gehärtete Oberfläche.

Laserhärten wird für die Industrie wichtiger

Das Laserhärten – sachlich zutreffender: das Laserstrahlhärten – kommt seit etwa zehn Jahren in der Industrie zur Anwendung. Dort gewinnt es stetig an Bedeutung. Für diese Randschicht-Härteverfahren stehen als Energiequelle nicht nur CO₂-Laser, Faserlaser und Nd:YAG-Laser zur Verfügung; es werden auch direkt strahlende und fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) eingesetzt.

Der Hochleistungsdiodenlaser arbeitet in einem relativ kurzen Wellenlängenbereich. Die Energieabsorption im Werkstoff ist dadurch im Vergleich zu anderen Laserstrahlquellen deutlich effizienter. Der Wirkungsgrad eines Hochleistungsdiodenlasers beträgt etwa 35%.

Hochleistungsdiodenlaser erwärmt Werkstoffe fast bis zum Schmelzpunkt

Härten lassen sich damit Oberflächen aus Stahlguss, Bau-, Vergütungs- und Werkzeugstählen, aber auch unterschiedliche Gusseisensorten wie Grauguss mit Lamellen- oder Kugelgraphit. Für direkt härtbare Werkstoffe wird ein Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,22 Masse-% vorausgesetzt.

Außerdem ermöglichen Hochleistungsdiodenlaser, aufgekohlte, aber auch vorab nitrierte Stähle zu härten. Beim Randschichtenhärten von Werkzeugen wird die Oberfläche auf Austenitisierungstemperatur erwärmt.

Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs beträgt dabei mehr als 1000 K/s. Der Temperaturanstieg erfolgt kontrolliert bis sehr nahe an den Schmelzpunkt heran, jedoch ohne diesen zu erreichen.

Geringe Temperaturhaltezeit mit Hochleistungsdiodenlaser möglich

Die Temperaturhaltezeit beträgt beim Randschichthärten mit einem Hochleistungsdiodenlaser etwa 10^–3 bis 10 s. Die Wärmeableitung erfolgt direkt ins Bauteil.

In der Regel wird unter atmosphärischen Bedingungen gearbeitet. Zwar kommt es daher zu einer geringen Oxidschichtbildung, doch ist diese meist unbedeutend und lässt sich bei Bedarf mühelos entfernen. Die Oxidschichtbildung kann grundsätzlich verhindert werden, indem das Verfahren in Schutzgasumgebung zur Anwendung kommt.

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