Oberflächentechnik Laserhärten erreicht neue Qualität

Autor / Redakteur: Eberhard Haack / Stéphane Itasse

Bei manchen Werkstücken stößt das klassische Laserhärten an seine Grenzen. Sind bei dünnwandigen Teilen auch noch garantierte Einhärtetiefen und Härtekennwerte als wiederholbares Qualitäts-merkmal gefordert, muss das Laserhärten mit anderen Erkenntnissen und Verfahren zum qualitativen Härten erweitert werden.

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Zu den Anwendungen des Laserhärtens gehört die Dichtrandvergütung von Schnecken gegen Druckverlust und Abrieb.
Zu den Anwendungen des Laserhärtens gehört die Dichtrandvergütung von Schnecken gegen Druckverlust und Abrieb.
(Bild: Inofex/Dirk Hoppe)

Neu ist die Anwendung zu einer wirklich garantierten Herstellung von dünnwandigen Schneidwerkzeugen aus Stählen mit Chromgehalten von mehr als 14 bis 22 % und Kohlenstoffgehalten über 1 %. Hier ist beim klassischen Laserhärten keine gesicherte Selbstabschreckung möglich, weil die Bauteilmasse zu gering ist und durch die Werkstoffeigenschaften mit Martensitstartpunkten in der Nähe der Raumtemperatur und den Matensitfinishpunkten im Temperaturbereich um –10 °C die Zielhärte erst dort erreicht wird.

Qualitative Laserhärtung mit umfangreichen Voruntersuchungen

Bei der marktüblichen Laserdienstleistung wird das Verfahren dadurch bestimmt, dass das Bauteil mit einer ausgewählten Temperatur erwärmt und die Energie in den Stahl mit einem bestimmten Laservorschub eingebracht wird. Die entstehende Härte ergibt sich letztlich aus dem Bauteil mit seiner Masse.

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Die qualitative Laserhärtung geht von der Stahlart aus, mit einer eigenen Analyse der Legierung und der Feststellung des angelieferten Vergütungszustandes. Aus der Härteaufgabe des Auftraggebers wird ein umfassender Prozess aufgestellt. Zum Bearbeitungsregime gehören auch das Anlassen von Probeteilen beziehungsweise Werkstücken und das Tiefkühlen. Die Qualitätssicherung nach dem Härten umfasst das Feststellen des Ergebnisses durch einen autorisierten Partner mit allen labortechnischen Methoden der Qualitätsbestimmung bis hin zum Nachweis des Härteergebnisses durch metallografische Schliffe.

Voruntersuchungen in kritischen Fällen

In kritischen Fällen gibt es Voruntersuchungen gemeinsam mit einem externen Werkstoffprüflabor sowohl für die Aufgabenstellung als auch für den abschließenden Qualitätsnachweis. Hier arbeitet die Firma Inofex mit dem Prüflabor Block, Berlin zusammen. Hinzu kommt eine Mitwirkung bei der Produktentwicklung der Kunden, zum Beispiel durch Zuverlässigkeitsprüfungen der Werkzeugstabilität und im konkreten Fall der Prüfung der Leistungsfähigkeit der Schneiden. Sind die Voruntersuchungen erfolgreich abgeschlossen, erfolgt das Laserhärten im Auftrag der Kunden. Die Firma LHW beherrscht beide Anwendungen des Laserhärtens, die marktübliche Laserdienstleistung und die qualitative Vergütung von Werkzeugen mit definierten Vorgaben zum Erreichen gleicher Qualität.

Die Anwendung des Laserhärtens bei der Firma LHW ist durch den Robotereinsatz sehr flexibel und mit wenigen Vorbereitungen in der Vergütung von Bauteilen oder Baugruppen 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 Präzisionsteilen mit geringer Maßänderung bis zu großen Pumpengehäusen, Seillaufrollen und Großmatrizen mit mehreren Hundert Kilogramm Gewicht. In der qualitativen Härtung 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 verringerte Schwingungsneigung erzeugen. Diese Wirkung kann man als Konstruktionsidee 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.

Laserhärten verlängert Lebensdauer

Ein gutes Beispiel für die Möglichkeiten des Laserhärtens ist die Verlängerung der Lebensdauer von Messern für Fleischereimaschinen, und zwar sowohl bei Fleischwolfmessern als auch bei Kuttermessern. Letztere werden zur Feinbrätherstellung bei Wurstmassen eingesetzt und haben eine Umlaufgeschwindigkeit von 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. Das Laserhärten bietet die Möglichkeit, die Ursachen der Messerzerstörung zu mindern, indem der weiche Messerkörper mit Laserspuren zur Stabilisierung versehen wird. In Versuchen zeigt sich, dass die lasergehärteten Kuttermesser das kleinste Schwingungsvolumen und eine kurze Schwingungsdauer im Vergleich zu volumengehärteten oder ungehärteten Messern haben.

Funktionshärtung übertrifft DIN-Norm

Bei der Laserhärtung von Fleischwolfmessern werden sie im Gegensatz zur DIN-Norm nicht volumengehärtet, sondern nur mit Funktionshärtungen an den Schneiden 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 die Totalzerstörung der Werkzeuge mit einem Maschinenschaden und Rohstoffverlusten.

Das Messer entspricht nicht mehr der DIN und ist dem Stand der Technik funktionell überlegen. Außerdem reduziert sich der Energieverbrauch bei der Laserhärtung im Vergleich zur Volumenhärtung um 75 %, 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 sofortige Nachkühlung, der Laserspur folgend, entwickelt. Damit gelingt es, auch sehr dünnwandige Werkstoffe gezielt und schnell bis zum Martensitstartpunkt und weiter herunter zu kühlen, um eine gute Härtung sicherzustellen. Es können auf diese Weise Bleche mit einer Wandstärke von 1,5 mm gut gehärtet werden.

* Dr. Eberhard Haack ist Geschäftsführer der Inofex GmbH in 06108 Halle/Saale

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