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Präzise Härten mit dem Laserstrahl

11.10.1996 - (idw) Technische Universität Clausthal

Lokale Behandlung von Stahl und Gußeisen: Präzise Härten mit dem Laserstrahl

Das Randschichthärten ist eine effiziente Methode, Werkstücke lokal zu härten. Mit dem Laser steht dafür ein Werkzeug zur Verfügung, daß sich durch hohe Präzision auszeichnet. Das Prinzip des Laserstrahlhärtens entspricht dem konventioneller Verfahren (Induktions-, Flammhärten). Eine schmale Randschicht (0,1 - 3 mm) wird über die Austenitisierungstemperatur hinaus erwärmt und nach Beendigung der Belichtung durch Wärmeabfuhr in das kalte Volumen abgekühlt (Selbstabschreckung). Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Laserstrahl, der räumlich eng begrenzten Wärmeeinbringung und der kurzen Belichtungszeit - typisch sind Millisekunden - werden hohe Temperaturgradienten erreicht. Es fließt also wenig Wärme ungenutzt aus der Randzone ab und der Kern des Werkstückes bleibt verhältnismäßig kalt. Im Vergleich zu anderen Verfahren ist das Laserstrahlhärten daher auch verzugsärmer.

Mit den heute industriell eingeführten CO2-Lasern im Leistungsbereich von 500 bis 15000 W können Einhärtetiefen von wenigen Zehntelmillimetern bis zu einigen Millimetern und Spurbreiten von 1 bis 50 mm realisiert werden. Größere Flächen können durch parallele Bahnen gehärtet werden. Im Überlappungsbereich tritt nur ein geringfügiger Härteabfall durch das Anlassen des Martensits der vorherigen Bahn auf.

Es sind alle Stähle härtbar, deren Kohlenstoffgehalt für die Martensitbildung ausreicht. Aufgrund der kurzen Austenitisierungszeit sind ein feines Perlit- oder Vergütungsgefüge für eine vollständige Lösung des Kohlenstoffes vorteilhaft. Gußeisen kann ebenfalls lasergehärtet werden, sofern ein perlitisches Grundgefüge vorliegt. Für Grauguß bietet sich außerdem die Variante des Laserumschmelzhärtens an. Hierbei wird eine schmale Randzone des Werkstückes aufgeschmolzen. Die rasche Erstarrung führt dann zu einem feinen ledeburitischen Gefüge mit sehr guter Verschleißbeständigkeit. Am IWW wurden bisher zahlreiche Machbarkeitsstudien zum Laserstrahlhärten und -umschmelzen verschiedenster Bauteile durchgeführt. U.a. wurden Bohrgestängekupplungen (Vergütungsstahl), Nockenwellen (GG) und Pumpengehäuse (GGG, siehe Abb. 1) behandelt und im Betrieb erfolgreich eingesetzt. Jedes Bauteil erfordert eine individuelle Anpassung der Prozeßparameter an die Geometrie und das Ausgangsgefüge. Die Oberflächengüte ist dagegen von untergeordneter Bedeutung. Mit einem Graphit-Coating kann immer eine konstante Ankopplung des Laserstrahls eingestellt werden. Am IWW stehen CO2-Laser mit Leistungen von 2.5, 5 und 10 kW für die Behandlung zur Verfügung.

Kontakt:

- Institut für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik Agricolastraße 6, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Fax: (05323) 72-3148 Prof. Dr. B. L. Mordike, Tel: (05323) 72-2120 Dr.-Ing. A. Weisheit, Tel: (05323) 72-3115

- Mathias Liebing Tel. 05323 96 93 14 Zentrum für Technologietransfer und Weiterbildung - Technische Universität Clausthal

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