DE4434591A1

DE4434591A1 - Verfahren zum Härten von Eisenwerkstoffen mittels Laser

Info

Publication number: DE4434591A1
Application number: DE4434591A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schlebeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 1996-04-04

Description

Es ist bekannt, daß martensithärtbare Stähle mit Laserstrahlung lokal auf Austenitisierungstemperatur lokal erhitzt, schnell abgekühlt und somit partiell gehärtet werden können (Laserhärten). Als Laserquellen finden heute vorzugsweise CO₂-Gaslaser (Emissionswellenlänge: 10.6 µm) und NdYAG-Festkörperlaser (Emissionswellenlänge: 1.06 µm) Anwendung. Da blanke Metalloberflächen Infrarotstrahlung gut reflektieren, werden die zu bestrahlenden Bauteilbereiche mit hochabsorbierenden Schichten aus Grafit, Metalloxiden oder -phosphaten beschichtet. Dadurch gelingt es, den Absorptionskoeffizienten für 10.6 µm-Strahlung des CO₂-Lasers von 12% für die blanke Metalloberfläche auf 50 . . . 70% für die beschichtete zu steigern. Das Aufbringen und nachherige Entfernen zusätzlicher Oberflächenschichten ist technisch aufwendig und kostenintensiv. Für die 1.06 µm-Strahlung des Festkörperlasers beträgt die Absorption der blanken Metalloberfläche im Mittel 35%, so daß auf zusätzliche Absorptionsschichten in der Praxis oft verzichtet wird. Jedoch gehen dabei zwei Drittel der erzeugten Laserstrahlung ungenutzt verloren.

Es existiert eine Lösung, bei der durch einen zusätzlichen Impulslaser innerhalb der Strahleinkoppelstelle ein absorbierendes Plasma erzeugt wird. Dadurch können blanke Metalloberflächen mit einem CO₂-Laser behandelt werden. Das Verfahren benötigt jedoch teure Spezialausrüstungen, auch bleibt der effektive Absorptionskoeffizient hinter den Wer ten beschichteter Werkstücke zurück.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Ab sorptionskoeffizient der blanken Metalloberflächen zu erhöhen, ohne diese in zusätzlichen Arbeitsgängen zu beschichten oder teure Zusatzausrüstungen zur Absorptionserhöhung ver wenden zu müssen.

Das Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Der mit der Erfindung verbundene Vorteil besteht darin, das die für beschichtete Metallo berflächen typische Absorptionskoeffizient erreicht wird, ohne die Metalloberfläche vorher mit Grafit, Metallphosphaten, pulverförmigen Oxiden oder Farben zu beschichten und diese nach der Behandlung wieder entfernen zu müssen. Die während der Behandlung lokal aufwachsende Oxidschicht sichert vergleichbare Absorptionswerte ohne zusätzliche Einrich tungen oder Arbeitsschritte.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Um die für den Ablauf des Verfahrens notwendigen Prozeßbedingungen zu sichern, eine Zerstörung von Werkstück und Oxidoberfläche zu verhindern und ein gleichmäßiges Aufwachsen der Schicht zu sichern, sind die Prozeßparameter für die Behandlung vorher zu berechnen. Als Berechnungsgrundlagen dienen die Lösungen der Wärmeleitungsgleichung, mit denen sich das durch die Laserstrahlung im Bauteil erzeugte Temperaturfeld berechnen läßt. Die Prozeß parameter - im Minimum Laserleistung, Vorschub, und Strahlabmessungen auf der Bauteilo berfläche können so abgestimmt werden, daß die Temperaturen während der Behandlung den Schmelzpunkt von Oxid und Metall nicht übersteigt und eine thermische Zerstörung verhin dert wird.

Das Verfahren soll an einem Ausführungsbeispiel kurz erläutert werden (Figur). Ein de fokussierter Laserstrahl (1) bestrahlt ein Werkstück aus martensithärtbaren Stahl (2). Der La serstrahl erwärmt das Material. Über eine Gasdüse (3) wird ein sauerstoffhaltiges Gas (4) zu geführt. Das erwärmte Werkstück (2) oxidiert im Bereich der Strahleinkoppelstelle (5) und oxidiert im Gasstrom. Es bildet sich eine gut absorbierende Oxidschicht (6), über die die La serstrahlung absorbiert und durch Wärmeleitung in das Bauteil transportiert wird. Durch ge eignete Wahl der Prozeßparameter wächst die Schicht in Vorschubrichtung (7) kontinuierlich auf. Für unlegierten Stahl sollen die erreichten Oberflächentemperaturen im Bereich von 1300 . . . 1350°C liegen, um ein Aufschmelzen von Grundwerkstoff und Oxidschicht zu verhin dern. Dies wird durch die geeignete Wahl der Prozeßparameter und den Sauerstoffgehalt im zugeführten Gas erreicht.

Um die für die Härtung günstigen Bedingungen einzuhalten, sind die Prozeßparameter vorher zu berechnen. Dazu dient ein Programm, das basierend auf den Lösungen der dreidi mensionalen Wärmeleitungsgleichung, Temperaturverteilungen in laserbestrahlten Körpern berechnen kann. Zur Umsetzung der berechneten Werte auf die Laseranlage ist diese auf ihr Strahlprofil zu vermessen und die Leistungsdichteverteilung als Berechnungsgrundlage in das Programm mit einzubeziehen.

Nach Patentanspruch 2 sollen die Prozeßparameter derart gestaltet werden, daß eine Zer störung von Teil und Oxidschicht verhindert und ein Aufwachsen des Oxides gewährleistet wird. Dem ist die technologische Bedingung des Laserhärtens hinzuzufügen, daß die werkstofftypische Abschreckdauer t_8-5 für eine martensitische Umwandlung nicht überschrit ten werden soll.

Für den Stahl C60 liegt die maximale Oberflächentemperatur zur Einhaltung der Bedin gung bei etwa 1300°C. Der Prozeßparametersatz:

P = 740 Watt (Laserleistung an der Bauteiloberfläche)
V= 1.4 mm/s (Vorschub)
D = 7 mm (Strahldurchmesser des TEM₀₀-Bündels)

erfüllt die Bedingung und erreicht eine ausreichende Abschreckgeschwindigkeit. Durch Anreicherung der zugeführten Luft mit Sauerstoff oxidiert die Bauteiloberfläche lokal an. Die gehärtete Spur besitzt eine Breite von 5 mm, was einem Absorptionskoeffizienten von 57% entspricht.

Claims

1. Verfahren zum Härten von Eisenwerkstoffen mittels Laser (Laserhärten) gekennzeichnet dadurch: daß die Oberfläche des zu behandelnden, unbeschichteten Teils aus härtbarem Eisenwerkstoff im Bereich der Strahleinkoppelstelle mit einem sauerstoffhaltigen Gas derart behandelt wird, daß sich innerhalb der Strahleinkoppelstelle durch die Erwärmung des Teils mit der Laserstrahlung lokal eine Oxidschicht bildet, die den größeren Teil der einfallenden Laserstrahlung absorbiert und in das Teil leitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch: daß die Prozeßparameter - im Minimum Laserleistung, Vorschub und Strahlabmessungen auf der Bauteiloberfläche - mit Hilfe der Lösungen der Wärmeleitungsgleichung derart berechnet werden, daß eine Beschädigung der Bauteiloberfläche und Oxidschicht verhindert wird und ein gleichmäßiges Aufwachsen des Oxides gewährleistet ist.