Lokale Härtungstechnologie für Metallteile – Laserhärten

Laserhärten ist ein Härteverfahren, bei dem die Oberfläche von Metallwerkstoffen mittels Laser über den Phasenübergangspunkt erhitzt wird. Beim Abkühlen wandelt sich Austenit in Martensit um, wodurch die Oberfläche gehärtet wird. Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten, kurze Prozesszyklen und den Verzicht auf externe Härtemedien aus. Zu den Vorteilen zählen geringe Werkstückverformung, ein sauberes Arbeitsumfeld, der Verzicht auf Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen und die Unabhängigkeit der Größe des bearbeiteten Zahnrads von der Größe der Wärmebehandlungsanlage.

Laserhärten zeichnet sich durch hohe Leistungsdichte und schnelle Abkühlgeschwindigkeit aus und benötigt keine Kühlmedien wie Wasser oder Öl. Es ist ein sauberes und schnelles Härteverfahren. Im Vergleich zu Induktions-, Flamm- und Aufkohlungsverfahren bietet Laserhärten eine gleichmäßige Härteschicht, eine hohe Härte (in der Regel 1–3 HRC höher als bei Induktionshärten), geringe Werkstückverformung, einfache Steuerung der Schichttiefe und der Heizbahn sowie einfache Automatisierung. Anders als bei der Induktionshärtung müssen keine Induktionsspulen für unterschiedliche Werkstückgrößen ausgelegt werden, und die Bearbeitung großer Metallteile ist nicht durch die Ofengröße bei chemischen Wärmebehandlungen wie der Aufkohlung eingeschränkt. Daher ersetzt Laserhärten in vielen Industriezweigen zunehmend traditionelle Verfahren wie Induktionshärten und chemische Wärmebehandlung. Besonders wichtig ist, dass die Werkstückverformung vor und nach dem Laserhärten nahezu vernachlässigbar ist. Daher eignet sich das Verfahren besonders für die Oberflächenbehandlung von kundenspezifischen Metallteilen mit hohen Präzisionsanforderungen.

Die Tiefe der lasergehärteten Schicht liegt in der Regel zwischen 0,3 und 2,0 mm und ist abhängig von Zusammensetzung, Größe und Form der kundenspezifischen Teile sowie den Parametern des Laserprozesses. Die Zahnoberfläche großer Zahnräder und der Zapfen großer Wellenteile werden abgeschreckt, wobei die Oberflächenrauheit im Wesentlichen unverändert bleibt und keine Nachbearbeitung erforderlich ist, um den Anforderungen des praktischen Betriebs gerecht zu werden.

Die Laserhärtungstechnologie findet breite Anwendung in der mechanischen Bearbeitung, der petrochemischen Industrie, der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Automobilzulieferindustrie. Sie dient der Oberflächenveredelung von Führungsschienen, großen Zahnrädern, Zapfen, Zylinderinnenwänden, Formen, Reibrädern, Walzen und Walzenteilen. Geeignete Werkstoffe sind mittel- und hochgekohlter Stahl sowie Gusseisen.

Zahnräder sind weit verbreitete Bauteile im Maschinenbau. Um ihre Tragfähigkeit zu verbessern, müssen sie oberflächengehärtet werden. Herkömmliche Härtungsverfahren wie chemische Oberflächenbehandlungen (z. B. Aufkohlen und Nitrieren), Induktionshärten und Flammhärten weisen jedoch zwei Hauptprobleme auf: große Verformungen nach der Wärmebehandlung und Schwierigkeiten bei der Erzeugung einer gleichmäßig über das Zahnprofil verteilten Härteschicht. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer des Zahnrads.