EP1249505A1 - Verfahren zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks - Google Patents

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EP1249505A1
EP1249505A1 EP02008140A EP02008140A EP1249505A1 EP 1249505 A1 EP1249505 A1 EP 1249505A1 EP 02008140 A EP02008140 A EP 02008140A EP 02008140 A EP02008140 A EP 02008140A EP 1249505 A1 EP1249505 A1 EP 1249505A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
area
partial
partial areas
extent
areas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02008140A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Dr. Tüllmann
Klaus-Dieter Dr.-Ing. Frederking
Andreas Dipl.-Ing. Walbert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Index Werke GmbH and Co KG Hahn and Tessky
Original Assignee
Index Werke GmbH and Co KG Hahn and Tessky
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10126165A external-priority patent/DE10126165A1/de
Application filed by Index Werke GmbH and Co KG Hahn and Tessky filed Critical Index Werke GmbH and Co KG Hahn and Tessky
Publication of EP1249505A1 publication Critical patent/EP1249505A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening a surface area of a workpiece in which partial areas of the surface area are successively by means of a pulsed laser beam by heating and Quenching of the structure can be generated, with each sub-area by a contiguous surface of approximately the same hardness Structure is formed.
  • DE 35 33 541 A1 describes a method for hardening Known surface areas, in which so-called hardness traces side by side or placed at a distance from each other.
  • the heat input is not optimal. For example when placing hardness traces side by side a tempering effect in an already hardened track if there is another hardness track next to it is placed.
  • the invention is therefore based on the object of a method of the generic type Art to improve such that the surface area through Generation of the sub-areas can be hardened as optimally as possible.
  • This task is carried out in a method of the type described in the introduction solved according to the invention in that the laser beam onto the partial area so acts that with the laser beam over a corresponding to the focus area Coupling area during a heating period in the range of approximately 0.01 seconds until about 2 seconds of energy is coupled in to harden the structure.
  • the advantage of the method according to the invention is that a relatively long time for the coupling of the energy over a coupling surface is scheduled. However, this relatively long period of time enables one optimal implementation of the injected energy without overheating of the structure and, for example, removal of the structural material can occur.
  • the selected period is also advantageous in so far as they nevertheless generate marginal areas with the smallest possible extent allowed, so that a very high temperature gradient in the hardening Edge area and consequently a small extent of the same can be achieved.
  • a particularly favorable solution provides that the laser beam during the Heating time with a maximum of five laser pulses over the coupling surface, this means that five laser pulses act during the heating period, whose total time gives the heating up time.
  • the laser beam is active during the entire heating period acts on the coupling surface with a single laser pulse, that is, the only laser pulse used is approximately the heating time has a corresponding pulse duration.
  • the laser beam has a wavelength in the Range between 500 and 1000 nm, even better up to 1100 nm, because in this wavelength range an optimized interaction between the Laser beam and the structure to be hardened can be reached.
  • all laser sources can be used as the radiation source, in particular also Solid-state lasers can be used, it being favorable if the laser beam is produced by a semiconductor laser that is best suited to the operating conditions suitable for machine tools.
  • the laser beam is as optimal as possible without additional demanding breaks can be used, on the other hand an optimal deterrent of Structures within the scope of self-deterrence possible without overall heating of the structure or tempering of neighboring ones already hardened sections.
  • the method according to the invention can be carried out particularly optimally if two immediately adjacent sub-areas at a time interval be heated up, during which at least ten other sections be heated.
  • a particularly favorable solution provides that the heating up by the laser radiation on the edge of each over the austenitizing temperature heated portion to a temperature gradient of greater than 500 ° / mm leads.
  • each sub-area has an area dimension, which in each Direction of a maximum of five times the coupling area within of the respective sub-area.
  • the solution according to the invention can then be particularly inexpensive realize if at least some of the sub-areas are in different Directions has surface dimensions that are a maximum of one Distinguish factor 3.
  • the expansion of the partial areas in different directions can preferably be quantified so that each sub-area is in every direction of the surface area up to a maximum of 10 mm, better still a maximum of 8 mm, expands.
  • each section is in every direction of the surface area up to a maximum of 5 mm, better still a maximum of 2 mm or more better extends a maximum of 1 mm.
  • a a particularly favorable solution provides that the structure in each area has a hardening depth that is in the order of the maximum expansion of the partial area in one of the directions of the surface extension lies.
  • the hardening depth is at most the maximum Extension of the respective partial area in one of the directions of the surface extension equivalent.
  • the hardening depth is a maximum of 50% of the maximum Extension of the partial area in one of the directions of the surface extension equivalent.
  • the distance between the immediately adjacent Subareas at least a tenth of the extent of the Corresponds to partial areas in the distance direction.
  • the distance between the immediately adjacent Subareas at least half of the extent of the subareas corresponds in the distance direction.
  • the subregions have a Have a distance of less than one tenth of the extent corresponds to the partial areas in the direction of the distance, since this provides optimal protection of the surface area against such punctiform or linear effects given is.
  • This solution has the advantage that the tempered area is always a has lower hardness, so that by reducing the expansion of the tempered area also a reduction in the area of the Surface area with lower hardness occurs.
  • a particularly expedient procedure provides that the partial areas to a surface area with approximately a uniform average Complete structure showing hardness.
  • This solution is special then advantageous if the hardening process according to the invention in all the constructive parts where the surface area is to be used conventional, that is, without laser processing, is hardened and the Construction is designed to have a surface area essentially constant hardness.
  • a lathe rotated to make a relative movement between a surface area 20 of the workpiece 10 and a laser beam 30, which strikes the surface area 20.
  • the laser beam 30 is focused on the surface area 20, so that an interaction when the same strikes the surface region 20 between the laser beam 30 and the surface area 20 within a focus area 32 takes place in which the material of the workpiece 10 is heated directly by interaction with the laser beam 30.
  • the laser beam 30 is a pulsed laser beam, at which individual laser pulses P are in a temporal pulse interval Repeat PA and have a pulse duration PD during which in the focus area 32 an immediate interaction between the laser beam 30 and the material of the workpiece 10.
  • the pulsing of the laser beam 30 leads to a coupling area 34 approximately corresponding to the focus area 32 within a partial area 22 of the surface area 20, due to the direct interaction with the laser beam 30, the structure of the workpiece 10 heats up, the austenitizing temperature being exceeded within the partial area 22, for example the partial area 22 1 , and a hardened area thus being produced by subsequent quenching.
  • each partial area for example partial area 22 1 has an extension AL in the direction of rotation 14 and an extent AQ in a transverse direction 16 running transverse to the direction of rotation 14, which are larger than the focus area 32 and the corresponding coupling surface 34.
  • This is due to the fact that, within the coupling surface 34, there is a direct interaction between the structure of the workpiece 10 and the laser beam 30, but this direct interaction leads to heating of the surrounding structure by heat conduction, so that the Coupling surface 34 immediately surrounding structure is heated above the austenitizing temperature and is thus hardened by subsequent quenching.
  • Subarea 22 has an extent AQ which is, for example, twice the extent of the coupling surface 34 in the transverse direction 16.
  • Extension AL of the partial area 22 in the direction of rotation 14 likewise approximately 30% to about 100% of the extent of the coupling surface 34 in the direction of rotation 14th
  • an extension AL of the respective partial areas 22, for example the partial area 22 1 is due on the one hand to the fact that the workpiece 10 moves in the direction of rotation 14 relative to the laser beam 30 and thus the Focus area 32 moves on surface area 20.
  • the heat conduction must also be taken into account, which results in an expansion AL which, for example, can correspond to a multiple of the expansion of the focus area 32 in the direction of rotation 14.
  • the edge of the hardness volume 24 arises at the edge of the hardness volume 24 and thus an edge area at the edge of the respective partial area 22 26, in which a temperature gradient to the surrounding structure occurs that is greater than 500 ° / mm.
  • the edge area extends 26 each across an edge surface 28 of the hardness volume 24 a distance RB, which is approximately 1 to 10% of the expansion of the hardness volume 24 in each direction.
  • the hardness drops approximately linearly in this edge region 26.
  • the surface area of the focus area 32 is minimized, for example to an extent AQ, AL of less than approximately 1 mm. Especially advantageous results can be achieved if the dimensions AQ, AL become even smaller, for example in the range of less than 100 ⁇ m come.
  • the laser power in the first exemplary embodiment is usually more than 10 4 W / cm 2 and can range, for example, to values of 10 6 W / cm 2 .
  • the deterrence of what is heated above the austenitizing temperature Structure within the hardness volume and the associated Formation of martensite is preferably done by self-deterrence, the means by heat removal through the structure surrounding the hardness volume 24 of the workpiece 10.
  • the self-quenching is advantageous in so far as with it the need for additional measures to deter the Structure to meet.
  • the pulses P of the laser beam 30 which follow one another at the pulse spacing PA can, as shown in FIG. 3, heat up successive partial regions 22 1 , 22 2 , 22 3 by simply rotating the workpiece 10 about the axis 12 counter to the direction of rotation 14, whereby these Sub-areas have distances AB from one another which are determined by the speed at which the surface area 20 moves relative to the laser beam 30 and by the pulse distance PA.
  • the distances AB can for example be a multiple of the extent of the Subregions are 22, but they can also be of the order of magnitude of fractions of the partial areas 22, for example in the order of magnitude the distance RB over which the edge region 26 extends.
  • Distances AB on the order of a multiple of the extent of the Subregions 22 in the direction of the distance AB are used, for example, if a small surface loading of the surface area 20 is provided is, so that arranged in a wide-meshed grid Islands in the form of sections 22 are sufficient to withstand the surface load Hold up.
  • the partial areas 22 become such placed close together that the distance AB, for example in the Transverse direction 16 is so small that the edge areas 26 around the individual Subregions 24 overlap with each other so that, for example, the distance AB is in the order of magnitude of the extent of the edge regions 26.
  • the edge regions 26 in particular due to the minimization of the Extension of the focus area 32 approximately 1 to 10% of the extension of the Partial areas 22 in the respective direction, the partial areas 22 without problems with distances AB, for example in the transverse direction Arrange 16 that are on the order of between about 2 and about 20% of the extent of the partial areas 22 lie in the respective direction 16, that is, the edge areas 26 touch or partially overlap, without having any negative influences on the hardening of one section result already hardened adjacent sub-area 22, in particular results there is no starting of the adjacent sub-area 22, as is known leads to a reduction in the hardness of the already hardened structure.
  • hardened surface areas 20 can be achieved, whose hardness H shows 22 dips E between each of the sub-areas up to 50%, better still up to 30%, of the mean value M of the hardness H within the partial areas 22, so that overall in the surface area 20 an approximately uniformly hardened in all directions Area.
  • the individual subregions 22 N + X-1 and 22 N + x in the direction of rotation 14 have a distance which is approximately in the order of magnitude of the extent AL of the subregions 22 in this direction, but this does result due to the arrangement of the partial areas in the form of a hexagonal structure, a distance AS, in the direction oblique to the transverse direction 16 and to the direction of rotation 14, which in turn is in the order of the distance AB in the transverse direction 16, so that immediately adjacent partial areas, such as partial areas 22 N + Y and 22 N + X each have a minimum distance of AB or AS distance between them.
  • a third exemplary embodiment of a method according to the invention becomes, as shown in Fig. 9, to optimize self-deterrence the heating of the subareas 22 proceeded in such a way that immediately adjacent one another Subareas 22 are not immediately consecutive be hardened.
  • the partial area 22 1 is heated up with a pulse P
  • the next pulse P for example, the partial area 22 2 is heated up, which has a distance from the partial area 22 1 that corresponds to at least three times the extent of the partial area 22 1 in a distance direction 40 , so that the self-quenching of the sub-area 22 1 is not reduced by heating a sub-area 22 in the immediate vicinity again, which likewise supplies heat to the overall structure of the workpiece 10 in the immediate vicinity of the sub-area 22 1 .
  • each of the subregions 22 can thus be optimized, since the heating of the structure by self-deterrence of an immediate adjacent sub-area 22 in the self-deterrence of the respective sub-area 22 can be neglected.
  • the partial regions 22 are arranged so close to one another that their edge regions 26 essentially completely overlap, so that a common edge region 26 is formed in which the hardness H is opposite the mean value M of the hardness H in the partial areas 22, for example the partial areas 22 1 and 22 20 , is reduced.
  • the reduction in hardness H in the area of the indentations E is a maximum of 30%, even better a maximum of 20% and is in particular also considerably less than in all other methods known from the prior art, owing to the large temperature gradient of more than 500 ° / mm, so that, viewed macroscopically, the surface area 20 composed of the partial areas 22 appears to be substantially area-hardened, since the slight drops in hardness E in the common edge area between the partial areas 22 are negligible with regard to use.
  • a distance AB between the partial areas 22 is usually approximately 1/100 to approximately 1/10 of the extent of the partial areas 22 in the respective Direction, for example the distance AB is of the order of magnitude 1/100 or up to 1/10 of the dimension AQ.
  • a fifth embodiment according to FIG. 13 it is possible, as shown in a fifth embodiment according to FIG. 13, to arrange the partial areas 22 overlapping, so that the uncured areas between three adjacent partial areas 22 are avoided.
  • This overlapping arrangement of the partial areas for example the partial areas 22 1 , 22 20 and 22 30, has only the disadvantage that a tempered area is created around the partial area 22 that was set last.
  • the hardness of tempering reduced area share much less than that of the prior art Technically known methods, so that the overlapping arrangement of the Subareas 22 have a substantially uniform hardness over the surface results, especially when viewed macroscopically, and in addition, the hardness drops E in the edge areas 26 due to the Tempering less than the previously known methods, so that they are far weight less.
  • the subregions 22 s represent so-called hardness traces, which extend over the surface region 20 over a long length, which in principle can be any multiple of the extent of the coupling surface 34.
  • the sub-areas 22 S are generated with a spacing from one another and one after the other, which is at least two AQ, even better a spacing which, as in the exemplary embodiment 14, is at least about 3 AQ.
  • the hardening of the surface area 20 between the partial areas 22 S is carried out in the manner already described, namely in that the hardening of the surface area 20 between the partial areas 22 S is carried out by partial areas 22 1 , 22 10, etc., which in all directions Have an extent that corresponds to a maximum of three times the extent of the coupling surface 34 in this direction, preferably a maximum of twice the extent of the coupling surface 34 in this direction.
  • the sub-areas 22 1 , 22 10 etc. are generated in the same way as in the third, fourth or fifth embodiment, so that starting effects when overlapping between the sub-areas 22 1 and 22 10 and the sub-areas 22 1 and 22 S1 are negligible and thus Even in the overlap area, the drops in hardness are less than approximately 20% of the average hardness in the respective partial areas 22.

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Abstract

Um ein Verfahren zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks, bei welchem nacheinander Teilbereiche des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls durch Aufheizen und Abschrecken des Gefüges erzeugt werden, wobei jeder Teilbereich durch eine zusammenhängende Oberfläche eines ungefähr dieselbe Härte aufweisenden Gefüges gebildet ist, derart zu verbessern, daß der Oberflächenbereich durch Erzeugen der Teilbereiche möglichst optimal gehärtet werden kann, wird vorgeschlagen, daß der Laserstrahl auf den Teilbereich so einwirkt, daß mit dem Laserstrahl über eine dem Fokusbereich entsprechende Kopplungsfläche während einer Aufheizdauer im Bereich von ungefähr 0,01 Sek. bis ungefähr 2 Sek. Energie zum Härten des Gefüges eingekoppelt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks, bei welchem nacheinander Teilbereiche des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls durch Aufheizen und Abschrecken des Gefüges erzeugt werden, wobei jeder Teilbereich durch eine zusammenhängende Oberfläche eines ungefähr dieselbe Härte aufweisenden Gefüges gebildet ist.
Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise ist aus der DE 35 33 541 A1 ein Verfahren zum Härten von Oberflächenbereichen bekannt, bei welchem sogenannte Härtespuren nebeneinander oder im Abstand voneinander gelegt werden.
Ferner ist aus dem Artikel in Materials and Manufacturing Processes, Vol. 14, No. 1, Seite 53 bis 65, 1999 von L. Xue et al. mit dem Titel "Dot Matrix Hardening of Steels Using a Fiber Optic Coupled Pulsed Nd:YAG Laser" das Härten eines Oberflächenbereichs durch Erzeugung einzelner nebeneinanderliegender Härtepunkte bekannt.
Bei beiden Verfahren ist die Wärmeeinkopplung nicht optimal. So erfolgt beispielsweise beim Legen von Härtespuren nebeneinander ein Anlaßeffekt in einer bereits gehärteten Spur, wenn neben dieser eine weitere Härtespur gelegt wird.
Ferner ist das Erzeugen von Härtepunkten nach dem bekannten Verfahren im Hinblick auf die erforderliche Energie für das Erzeugen der Teilbereiche nicht optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß der Oberflächenbereich durch Erzeugen der Teilbereiche möglichst optimal gehärtet werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laserstrahl auf den Teilbereich so einwirkt, daß mit dem Laserstrahl über eine dem Fokusbereich entsprechende Einkopplungsfläche während einer Aufheizdauer im Bereich von ungefähr 0,01 sek bis ungefähr 2 sek Energie zum Härten des Gefüges eingekoppelt wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß eine relativ lange Zeitdauer für die Einkopplung der Energie über eine Einkoppelfläche angesetzt wird. Diese relativ lange Zeitdauer ermöglicht jedoch eine optimale Umsetzung der eingekoppelten Energie ohne daß eine Überhitzung des Gefüges entsteht und beispielsweise ein Abtragen des Gefügematerials auftreten kann.
Außerdem ist die gewählte Zeitdauer insoweit außerdem noch vorteilhaft, als sie trotzdem die Erzeugung von Randbereichen möglichst geringer Ausdehnung erlaubt, so daß beim Härten ein sehr hoher Temperaturgradient im Randbereich und folglich eine geringe Ausdehnung desselben erreichbar ist.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß der Laserstrahl während der Aufheizdauer mit maximal fünf Laserpulsen über die Einkopplungsfläche einwirkt, das heißt, daß während der Aufheizdauer fünf Laserpulse einwirken, deren Zeitdauer insgesamt die Aufheizdauer ergibt.
Noch vorteilhafter ist es, wenn der Laserstrahl während der gesamten Aufheizdauer mit einem einzigen Laserpuls über die Einkopplungsfläche einwirkt, das heißt, daß der einzige eingesetzte Laserpuls eine ungefähr der Aufheizdauer entsprechende Pulsdauer aufweist.
Folglich wird in diesem Fall mit einem Laserstrahl gearbeitet, der mit der Aufheizdauer entsprechenden Pulsdauern gepulst ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Laserstrahl eine Wellenlänge im Bereich zwischen 500 und 1000 nm, noch besser bis 1100 nm aufweist, da in diesem Wellenlängenbereich eine optimierte Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem zu härtenden Gefüge erreichbar ist.
Als Strahlungsquelle können prinzipiell alle Laserquellen, insbesondere auch Festkörperlaser, eingesetzt werden, wobei es günstig ist, wenn der Laserstrahl von einem Halbleiterlaser erzeugt wird, der sich am besten für die Einsatzbedingungen bei Werkzeugmaschinen eignet.
Um die Aufheizung des Gefüges durch Selbstabschreckung der Teilbereiche möglichst gering zu halten und insbesondere Anlaßeffekte in bereits gehärteten Teilbereichen zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, daß unmittelbar nebeneinanderliegende Teilbereiche in einem Zeitabstand aufgeheizt werden, während dessen mindestens zwei weiter entfernt liegende Teilbereiche aufgeheizt werden.
Damit ist einerseits der Laserstrahl möglichst optimal ohne zusätzlich zu fordernde Pausen einsetzbar, andererseits eine optimale Abschreckung des Gefüges im Rahmen der Selbstabschreckung möglich, ohne daß insgesamt eine Aufheizung des Gefüges oder ein Anlassen benachbarter, bereits gehärteter Teilbereiche entsteht.
Noch besser ist es, wenn zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Teilbereiche in einem zeitlichen Abstand voneinander aufgeheizt werden, während dessen mindestens fünf weitere Teilbereiche aufgeheizt werden.
Besonders optimal läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren führen, wenn zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Teilbereiche in einem Zeitabstand aufgeheizt werden, während dessen mindestens zehn weitere Teilbereiche aufgeheizt werden.
Hinsichtlich der Anordnung der weiteren Teilbereiche relativ zu den unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereichen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So hat es sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die weiteren Teilbereiche in einem Abstand von den unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereichen angeordnet sind, der mindestens einem fünffachen der Ausdehnung des ersten der unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereiche in der Abstandsrichtung entspricht.
Noch besser ist es, wenn die weiteren Teilbereiche von den unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereichen einen Abstand aufweisen, der mindestens einem zehnfachen der Ausdehnung des ersten der unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereiche in der Abstandsrichtung entspricht.
Hinsichtlich der Ausdehnung der Randbereiche wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine besonders günstige Lösung vor, daß das Aufheizen durch die Laserstrahlung am Rande jedes über die Austenitisierungstemperatur aufgeheizten Teilbereichs zu einem Temperaturgradient von größer als 500°/mm führt.
Mit einer derartigen Verfahrensführung lassen sich gehärtete Teilbereiche mit Randbereichen minimaler Ausdehnung erzeugen.
Hinsichtlich der Abschreckung wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele von jeder Art der Abschreckung ausgegangen. Beispielsweise kann eine zusätzliche Kühlung des Werkstücks erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Abschrecken jedes Teilbereichs durch Selbstabschreckung erfolgt, da damit jegliche zusätzlichen Maßnahmen vermieden werden.
Ferner wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben zu den Dimensionen der Teilbereiche selbst gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß jeder Teilbereich eine Flächenausdehnung aufweist, welche in jeder Richtung maximal einer fünffachen Ausdehnung der Einkopplungsfläche innerhalb des jeweiligen Teilbereichs entspricht.
Noch günstiger ist es, wenn die Flächenausdehnung jedes Teilbereichs im wesentlichen maximal der zweifachen Flächenausdehnung der Einkopplungsfläche innerhalb des Teilbereichs entspricht.
Hinsichtlich der Form der Teilbereiche wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So ist es beispielsweise im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung denkbar, Teilbereiche in Form sogenannter Härtespuren herzustellen.
Besonders günstig läßt sich die erfindungsgemäße Lösung jedoch dann realisieren, wenn zumindest ein Teil der Teilbereiche in unterschiedlichen Richtungen Flächenausdehnungen aufweist, die sich maximal um einen Faktor 3 unterscheiden.
Die Ausdehnung der Teilbereiche in unterschiedlichen Richtungen kann vorzugsweise so quantifiziert werden, daß sich jeder Teilbereich in jeder Richtung des Oberflächenbereichs bis maximal 10 mm, noch besser maximal 8 mm, ausdehnt.
Noch besser ist es, wenn sich jeder Teilbereich in jeder Richtung des Oberflächenbereichs bis maximal 5 mm, noch besser maximal 2 mm oder noch besser maximal 1 mm ausdehnt.
Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele wurden keine näheren Angaben zu den Einhärtetiefen gemacht. Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß das Gefüge in jedem Teilbereich eine Einhärtetiefe aufweist, die in der Größenordnung der maximalen Ausdehnung des Teilbereichs in einer der Richtungen der Flächenausdehnung liegt.
Besonders günstig ist es, wenn die Einhärtetiefe höchstens der maximalen Ausdehnung des jeweiligen Teilbereichs in einer der Richtungen der Flächenausdehnung entspricht.
Besonders günstig ist es, wenn die Einhärtetiefe maximal 50% der maximalen Ausdehnung des Teilbereichs in einer der Richtungen der Flächenausdehnung entspricht.
Hinsichtlich der Anordnung der Teilbereiche relativ zueinander wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß unmittelbar nebeneinanderliegende Teilbereiche einen Abstand voneinander aufweisen, und somit der Oberflächenbereich lokal gehärtete Bereiche aufweist, die sich mit nicht gehärteten Bereichen abwechseln.
Beispielsweise ist es denkbar, daß der Abstand der unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereiche mindestens ein Zehntel der Ausdehnung der Teilbereiche in Abstandsrichtung entspricht.
Vielfach ist es noch günstiger, wenn der Abstand der unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereiche mindestens der Hälfte der Ausdehnung der Teilbereiche in Abstandsrichtung entspricht.
All die Lösungen, bei denen die Teilbereiche einen Abstand voneinander aufweisen, sind vorteilhaft für viele Anwendungen mit flächigen Krafteinwirkungen, beispielsweise Anwendungen mit aufeinanderwirkenden tragenden Flächen einsetzbar.
Es besteht aber auch in vielen Fällen die Notwendigkeit, den Oberflächenbereich so zu härten, daß punktuelle oder linienförmige Einwirkungen auf diesen nicht zu Beschädigungen führen.
Aus diesem Grund ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß die Teilbereiche einen Abstand voneinander aufweisen, der weniger als ein Zehntel der Ausdehnung der Teilbereiche in Abstandsrichtung entspricht, da damit ein optimaler Schutz des Oberflächenbereichs gegen derartige punktuelle oder linienförmige Einwirkungen gegeben ist.
Besonders günstig ist der Schutz dann, wenn die unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereiche überlappend angeordnet sind, so daß damit die ungehärteten Flächen oder Flächen mit geringerer Härte minimiert werden.
Insbesondere bei Teilbereichen mit geringem Abstand oder überlappenden Teilbereichen ist es besonders günstig, wenn in jedem der Teilbereiche ein außerhalb desselben liegender angelassener Bereich in einer radialen Richtung zu einem Mittelpunkt des Teilbereichs eine Ausdehnung von weniger als ein Fünftel der Ausdehnung des Teilbereichs in dieser Richtung aufweist.
Noch besser ist es, wenn die Ausdehnung des angelassenen Bereichs weniger als ein Zehntel des Teilbereichs in dieser Richtung beträgt.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß der angelassene Bereich stets eine geringere Härte aufweist, so daß durch Reduzierung der Ausdehnung des angelassenen Bereichs gleichzeitig auch eine Reduzierung der Flächen des Oberflächenbereichs mit geringerer Härte erfolgt.
Quantitativ hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn der außerhalb des Teilbereichs liegende angelassene Bereich in der radialen Richtung zu einem Mittelpunkt des Teilbereichs eine Ausdehnung von weniger als 20 µm, noch besser eine Ausdehnung von weniger als 10 µm aufweist.
Insbesondere um Oberflächenbereiche zu scharfen, die optimal gegen punktoder linienförmige Einwirkungen geschützt sind, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Teilbereiche so dicht nebeneinander liegen, daß die Härte des Gefüges zwischen den Teilbereichen um maximal 50% gegenüber der Härte des Gefüges innerhalb der Teilbereiche abfällt.
Noch besser ist es, wenn die Teilbereiche so dicht nebeneinander liegen, daß die Härte des Gefüges zwischen den Teilbereichen um maximal 20% gegenüber der Härte des Gefüges innerhalb der Teilbereiche abfällt.
Eine besonders zweckmäßige Verfahrensführung sieht vor, daß die Teilbereiche sich zu einem Oberflächenbereich mit näherungsweise im Mittel eine gleichmäßige Härte aufweisendem Gefüge ergänzen. Diese Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Härteverfahren bei all den konstruktiven Teilen eingesetzt werden soll, bei denen der Oberflächenbereich konventionell, das heißt ohne Laserbearbeitung, gehärtet wird und die Konstruktion darauf ausgelegt ist, einen Oberflächenbereich mit im wesentlichen konstanter Härte zu erreichen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2
eine Darstellung aufeinanderfolgender Laserpulse über einer Zeitachse;
Fig. 3
eine Draufsicht auf das Werkstück in Richtung des Pfeils A in Fig. 1;
Fig. 4
eine schematische Darstellung eines Härteverlaufs in einer Querrichtung eines Teilbereichs;
Fig. 5
einen senkrecht zum Oberflächenbereich verlaufenden Schnitt durch das Gefüge im Bereich eines gehärteten Teilbereichs;
Fig. 6
eine Darstellung des Härteverlaufs ähnlich Fig. 4 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 7
eine schematische Darstellung eines senkrecht zum Oberflächenbereich verlaufenden Schnitts ähnlich Fig. 5 beim zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 8
eine Draufsicht ähnlich Fig. 3 auf die nebeneinanderliegenden Teilflächenbereiche des zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 9
eine Darstellung ähnlich Fig. 8 auf ein viertes Ausführungsbeispiel;
Fig. 10
eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 des Verfahrens gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 11
eine Darstellung des Härteverlaufs ähnlich Fig. 4 bei einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 12
eine Darstellung ähnlich Fig. 3 der Lage der Teilbereiche beim vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 13
eine Darstellung der Lage der Teilbereiche ähnlich Fig. 12 bei einem fünften Ausführungsbeispiel und
Fig. 14
eine Darstellung der Lage der Teilbereiche ähnlich Fig. 3 bei einem sechsten Ausführungsbeispiel.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Werkstück 10 um eine Achse 12, beispielsweise eine Spindelachse einer Drehmaschine gedreht, um eine Relativbewegung zwischen einem Oberflächenbereich 20 des Werkstücks 10 und einem Laserstrahl 30 zu erhalten, welcher auf den Oberflächenbereich 20 auftrifft.
Der Laserstrahl 30 ist dabei auf den Oberflächenbereich 20 fokussiert, so daß beim Auftreffen desselben auf dem Oberflächenbereich 20 eine Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl 30 und dem Oberflächenbereich 20 innerhalb eines Fokusbereichs 32 erfolgt, in welchem das Material des Werkstücks 10 unmittelbar durch Wechselwirkung mit dem Laserstrahl 30 aufgeheizt wird.
Ferner ist der Laserstrahl 30, wie in Fig. 2 dargestellt, ein gepulster Laserstrahl, bei welchem einzelne Laserpulse P sich in einem zeitlichen Pulsabstand PA wiederholen und dabei eine Pulsdauer PD aufweisen, während welcher in dem Fokusbereich 32 eine unmittelbare Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl 30 und dem Material des Werkstücks 10 erfolgt.
Wird nun, wie in Fig. 1 und 3 dargestellt, das Werkstück 20 in einer Drehrichtung 14 um die Achse 12 gedreht, so führt das Pulsen des Laserstrahls 30 dazu, daß über eine dem Fokusbereich 32 ungefähr entsprechende Einkopplungsfläche 34 innerhalb eines Teilbereichs 22 des Oberflächenbereichs 20 aufgrund unmittelbarer Wechselwirkung mit dem Laserstrahl 30 ein Aufheizen des Gefüges des Werkstücks 10 auftritt, wobei innerhalb des Teilbereichs 22, beispielsweise des Teilbereichs 221, ein Überschreiten der Austenitisierungstemperatur auftritt und somit durch nachfolgendes Abschrecken ein gehärteter Bereich entsteht.
Wie in Fig. 3, 4 und 5 dargestellt, weist jeder Teilbereich, beispielsweise der Teilbereich 221 eine Ausdehnung AL in der Drehrichtung 14 und eine Ausdehnung AQ in einer quer zur Drehrichtung 14 verlaufenden Querrichtung 16 auf, die größer sind als der Fokusbereich 32 und die diesem entsprechende Einkopplungsfläche 34. Dies liegt daran, daß zwar innerhalb der Einkopplungsfläche 34 eine unmittelbare Wechselwirkung zwischen dem Gefüge des Werkstücks 10 und dem Laserstrahl 30 erfolgt, diese unmittelbare Wechselwirkung aber durch Wärmeleitung zu einer Aufheizung des umgebenden Gefüges führt, so daß auch das die Einkopplungsfläche 34 unmittelbar umgebende Gefüge über die Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und somit durch nachfolgendes Abschrecken gehärtet wird.
Beispielsweise erfolgt, wie in Fig. 4 dargestellt, aufgrund der Aufheizung des Gefüges durch direkte Wechselwirkung mit dem Laserstrahl 30 im Bereich der dem Fokusbereich 32 entsprechenden Einkopplungsfläche 34 eine Wärmeleitung in der Querrichtung 16, so daß der letztlich über Austenitisierungstemperatur aufgeheizte und anschließend wieder abgekühlte
Teilbereich 22 eine Ausdehnung AQ aufweist, welche beispielsweise das Doppelte der Ausdehnung der Einkopplungsfläche 34 in der Querrichtung 16 beträgt.
Darüber hinaus erfolgt auch eine Wärmeleitung in das Werkstück 10 hinein, so daß ein sich an den Teilbereich 22 anschließendes und sich in das Werkstück 10 hineinerstreckendes Härtevolumen 24 entsteht, welches beispielsweise von dem Oberflächenbereich 20 ausgehend eine Ausdehnung AT in die Tiefe des Werkstücks hinein aufweist, welche im Bereich von ungefähr 30% bis ungefähr 100% der Ausdehnung der Einkopplungsfläche 34 in der Querrichtung 16 liegt.
Erfolgt keine Drehung des Werkstücks 10 um die Achse 12, so beträgt die Ausdehnung AL des Teilbereichs 22 in Drehrichtung 14 ebenfalls ungefähr 30% bis ungefähr 100% der Ausdehnung der Einkopplungsfläche 34 in der Drehrichtung 14.
Dreht sich das Werkstück 10 um die Achse 12 in Drehrichtung 14, so ist eine Ausdehnung AL der jeweiligen Teilbereiche 22, beispielsweise des Teilbereichs 221, einerseits dadurch bedingt, daß sich das Werkstück 10 relativ zum Laserstrahl 30 in der Drehrichtung 14 bewegt und somit der Fokusbereich 32 auf dem Oberflächenbereich 20 wandert. Darüber hinaus ist noch die Wärmeleitung zu berücksichtigen, woraus eine Ausdehnung AL resultiert, welche beispielsweise einem Vielfachen der Ausdehnung des Fokusbereichs 32 in der Drehrichtung 14 entsprechen kann.
Dabei ist allerdings zu beachten, daß bei fortlaufender Drehung durch eine bestimmte Einkopplungsfläche 34 des jeweiligen Teilbereichs 22 über eine Aufheizdauer im Bereich von ungefähr 0,01 Sek bis ungefähr 2 Sek Energie zum Härten eingekoppelt werden muß, um mit der erfindungsgemäßen Qualität zu Härten.
Dies kann entweder dadurch erfolgen, daß der Fokusbereich 32 während der Aufheizdauer deckungsgleich zur Einkopplungsfläche 34 stehen bleibt, oder dadurch, daß der Fokusbereich 32 über die Einkopplungsfläche 34 langsam hinweg wandert, so daß die Aufheizdauer ebenfalls erreicht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht ferner am Rand des Härtevolumens 24 und somit am Rand des jeweiligen Teilbereichs 22 ein Randbereich 26, in welchem ein Temperaturgradient zum umgebenden Gefüge eintritt, der größer als 500°/mm ist. Beispielsweise erstreckt sich der Randbereich 26 jeweils quer zu einer Randfläche 28 des Härtevolumens 24 über eine Distanz RB, welche ungefähr 1 bis 10% der Ausdehnung des Härtevolumens 24 in der jeweiligen Richtung beträgt.
In diesem Randbereich 26 fällt die Härte näherungsweise linear ab.
Besondere Vorteile ergeben sich bei dem ersten Ausführungsbeispiel dann, wenn die Flächenausdehnung des Fokusbereichs 32 minimiert wird, beispielsweise auf eine Ausdehnung AQ, AL von weniger als ungefähr 1mm. Besonders vorteilhafte Ergebnisse lassen sich dann erreichen, wenn die Ausdehnungen AQ, AL noch kleiner werden, beispielsweise in den Bereich von kleiner 100 µm kommen.
Insbesondere bei Minimierung des Fokusbereichs 32 auf derart geringe Dimensionen lassen sich in den Randbereich 26 die gewünschten hohen Temperaturgradienten von größer als 500°/mm erreichen.
Üblicherweise beträgt die Laserleistung bei dem ersten Ausführungsbeispiel mehr als 104W/cm2 und kann beispielsweise reichen bis zu Werten von 106W/cm2.
Die Abschreckung des jeweils über die Austenitisierungstemperatur aufgeheizten Gefüges innerhalb des Härtevolumens und die damit verbundene Bildung von Martensit erfolgt vorzugsweise durch Selbstabschreckung, das heißt durch Wärmeentzug durch das das Härtevolumen 24 umgebende Gefüge des Werkstücks 10. Die Selbstabschreckung ist insoweit vorteilhaft, als damit die Notwendigkeit entfällt, zusätzliche Maßnahmen zur Abschreckung des Gefüges zu treffen.
Durch die im Pulsabstand PA aufeinander folgenden Pulse P des Laserstrahls 30 lassen sich, wie in Fig. 3 dargestellt, durch einfache Rotation des Werkstücks 10 um die Achse 12 entgegengesetzt zur Drehrichtung 14 aufeinanderfolgende Teilbereiche 221, 222, 223 aufheizen, wobei diese Teilbereiche Abstände AB voneinander aufweisen, die durch die Geschwindigkeit bedingt sind, mit welcher sich der Oberflächenbereich 20 relativ zum Laserstrahl 30 bewegt und durch den Pulsabstand PA.
Die Abstände AB können beispielsweise ein Vielfaches der Ausdehnung der Teilbereiche 22 betragen, sie können jedoch aber auch in der Größenordnung von Bruchteilen der Teilbereiche 22 liegen, beispielsweise in der Größenordnung der Distanz RB, über welche sich der Randbereich 26 erstreckt.
Abstände AB in der Größenordnung von einem Vielfachen der Ausdehnung der Teilbereiche 22 in Richtung des Abstands AB werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn eine geringe Flächenbelastung des Oberflächenbereichs 20 vorgesehen ist, so daß in einem weitmaschigen Raster angeordnete gehärtete Inseln in Form der Teilbereiche 22 ausreichend sind, um der Oberflächenbelastung Stand zu halten.
Ist jedoch die Oberflächenbelastung groß, so werden die Teilbereiche 22 möglichst dicht nebeneinander gesetzt.
Wie beispielsweise in Fig. 6 und 7 dargestellt, werden die Teilbereiche 22 derart dicht nebeneinander gesetzt, daß der Abstand AB, beispielsweise in der Querrichtung 16 so klein ist, daß sich die Randbereiche 26 um die einzelnen Teilbereiche 24 miteinander überlappen, so daß beispielsweise der Abstand AB in der Größenordnung der Ausdehnung der Randbereiche 26 liegt.
Da jedoch die Randbereiche 26 insbesondere aufgrund der Minimierung der Ausdehnung des Fokusbereichs 32 ungefähr 1 bis 10% der Ausdehnung der Teilbereiche 22 in der jeweiligen Richtung betragen, lassen sich die Teilbereiche 22 problemlos mit Abständen AB, beispielsweise in der Querrichtung 16 anordnen, die in der Größenordnung zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20% der Ausdehnung der Teilbereiche 22 in der jeweiligen Richtung 16 liegen, das heißt, daß sich die Randbereiche 26 berühren oder teilweise überlappen, ohne daß sich negative Einflüsse beim Härten des einen Teilbereichs auf den bereits gehärteten benachbarten Teilbereich 22 ergeben, insbesondere ergibt sich dabei kein Anlassen des benachbarten Teilbereichs 22, das bekannterweise zu einer Verringerung der Härte des bereits gehärteten Gefüges führt.
Mit dieser Lösung lassen sich gehärtete Oberflächenbereiche 20 erreichen, deren Härte H jeweils zwischen den Teilbereichen 22 Einbrüche E zeigt, die maximal bis 50%, noch besser bis zu 30%, des Mittelwertes M der Härte H innerhalb der Teilbereiche 22 betragen, so daß insgesamt im Oberflächenbereich 20 in allen Richtungen eine näherungsweise gleichmäßig gehärtete Fläche vorliegt.
Wie in Fig. 8 dargestellt, weisen die einzelnen Teilbereiche 22N+X-1 und 22N+x in der Drehrichtung 14 einen Abstand auf, der ungefähr in der Größenordnung der Ausdehnung AL der Teilbereiche 22 in dieser Richtung liegt, allerdings ergibt sich jedoch aufgrund der Anordnung der Teilbereiche in Form einer hexagonalen Struktur ein Abstand AS, in Richtung schräg zur Querrichtung 16 und zur Drehrichtung 14, der wiederum in der Größenordnung des Abstands AB in Querrichtung 16 ist, so daß unmittelbar benachbarte Teilbereiche, wie beispielsweise die Teilbereiche 22N+Y und 22N+X jeweils als minimalen Abstand einen Abstand in der Größenordnung von AB oder AS zwischen sich aufweisen.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie in Fig. 9 dargestellt, zur Optimierung der Selbstabschreckung bei dem Aufheizen der Teilbereiche 22 so vorgegangen, daß unmittelbar nebeneinanderliegende Teilbereiche 22 nicht unmittelbar aufeinanderfolgend gehärtet werden.
Wird beispielsweise mit einem Puls P der Teilbereich 221 aufgeheizt, so wird nachfolgend mit dem nächsten Puls P beispielsweise der Teilbereich 222 aufgeheizt, welcher einen Abstand vom Teilbereich 221 aufweist, der mindestens der dreifachen Ausdehnung des Teilbereichs 221 in einer Abstandsrichtung 40 entspricht, so daß die Selbstabschreckung des Teilbereichs 221 nicht dadurch reduziert wird, daß bereits in unmittelbarer Nähe wieder ein Teilbereich 22 aufgeheizt wird, der ebenfalls dem Gesamtgefüge des Werkstücks 10 in unmittelbarer Nähe des Teilbereichs 221 Wärme zuführt.
Um diese Aufheizung zu optimieren, ist beispielsweise vorgesehen, daß in unmittelbarer Nähe des Teilbereichs 221 erst nach Aufheizen von insgesamt neun anderen, entfernt vom Teilbereich 221 liegenden Teilbereichen 22 wieder ein Teilbereich aufgeheizt wird, beispielsweise der Teilbereich 2210.
Danach erfolgt wieder ein Aufheizen von beispielsweise neun weiteren, weiter entfernt liegenden Teilbereichen 22, bis der Teilbereich 2220 aufgeheizt wird, der wieder unmittelbar neben dem Teilbereich 221 liegt.
Schließlich erfolgt wiederum ein Aufheizen von insgesamt neun weiteren Teilbereichen 22, bis ein Aufheizen des Teilbereichs 2230 erfolgt.
Damit läßt sich die Selbstabschreckung jedes der Teilbereiche 22 optimieren, da die Erwärmung des Gefüges durch Selbstabschreckung eines unmittelbar benachbarten Teilbereichs 22 bei der Selbstabschreckung des jeweiligen Teilbereichs 22 vernachlässigt werden kann.
Um bei dem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine schnelle Bewegung des Laserstrahls 30 relativ zum Werkstück 10 zu erhalten, wäre es beispielsweise denkbar, das Werkstück 10 NC-gesteuert zu bewegen, den Laserstrahl 30 jedoch stationär stehen zu lassen. Eine derart schnelle Bewegung des Werkstücks 10 ist jedoch aufwendig, so daß zumindest ergänzend zur Drehung des Werkstücks 10 in Drehrichtung 14 noch zusätzlich eine Ablenkeinrichtung 50 vorgesehen ist, mit welcher sich der Laserstrahl 30 schnell in unterschiedliche Richtungen ablenken läßt, so daß damit in einfacher Weise ein sogenannten Hin- und Herspringen des Laserstrahls 30 realisierbar ist, um zu vermeiden, daß unmittelbar benachbarte Teilbereiche 22 auch unmittelbar aufeinanderfolgend aufgeheizt werden.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 11 und Fig. 12 werden die Teilbereiche 22 derart nahe beieinander angeordnet, daß deren Randbereiche 26 im wesentlichen vollständig überlappen, so daß sich ein gemeinsamer Randbereich 26 ausbildet, in welchem die Härte H gegenüber dem Mittelwert M der Härte H in den Teilbereichen 22, beispielsweise den Teilbereichen 221 und 2220, reduziert ist. Die Reduzierung der Härte H beträgt jedoch im Bereich der Einbrüche E maximal 30%, noch besser maximal 20% und ist insbesondere auch wesentlich geringer als bei allen übrigen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, aufgrund des großen Temperaturgradienten von mehr als 500°/mm, so daß, makroskopisch betrachtet, der sich aus den Teilbereichen 22 zusammensetzende Oberflächenbereich 20 im wesentlichen flächig gehärtet erscheint, da die geringen Einbrüche E der Härte im gemeinsamen Randbereich zwischen den Teilbereichen 22 im Hinblick auf die Nutzung vernachlässigbar ist.
Üblicherweise beträgt ein Abstand AB zwischen den Teilbereichen 22 ungefähr 1/100 bis ungefähr 1/10 der Ausdehnung der Teilbereiche 22 in der jeweiligen Richtung, also beispielsweise beträgt der Abstand AB größenordnungsmäßig 1/100 oder bis 1/10 der Ausdehnung AQ.
Im Falle der Anordnung der Teilbereiche 22 derart, daß sich deren Randbereiche 26 überlappen, besteht immer noch in dem Zwischenraum zwischen drei aneinandergrenzenden Teilbereichen 22, beispielsweise den Teilbereichen 221, 2220 und 2230, ein nicht gehärteter ungefähr dreieckförmiger Bereich.
Um derartige nicht gehärtete Bereiche zu vermeiden, kann man, wie bei einem fünften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 dargestellt, die Teilbereiche 22 überlappend anordnen, so daß die ungehärteten Bereiche zwischen jeweils drei aneinandergrenzenden Teilbereichen 22 vermieden werden. Dieses überlappende Anordnen der Teilbereiche, beispielsweise der Teilbereiche 221, 2220 und 2230 hat lediglich den Nachteil, daß jeweils um den zuletzt gesetzten Teilbereich 22 herum noch ein angelassener Bereich entsteht.
Da jedoch der Temperaturgradient 26 der Teilbereiche 22 so groß ist, beispielsweise größer als 500°/mm, ist der durch Anlassen in seiner Härte reduzierte Flächenanteil weitaus geringer wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, so daß sich beim überlappenden Anordnen der Teilbereiche 22 eine im wesentlichen gleichmäßige Härte über die Fläche ergibt, insbesondere wenn diese makroskopisch betrachtet wird, und außerdem sind die Härteeinbrüche E in den Randbereichen 26 aufgrund des Anlassens geringer als bei den bislang bekannten Verfahren, so daß sie weit weniger ins Gewicht fallen.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 14 wird mit unterschiedlichen Arten von Teilbereichen gearbeitet.
Die Teilbereiche 22s stellen sogenannte Härtespuren dar, die sich über eine große Länge, die im Prinzip ein beliebiges Vielfaches der Ausdehnung der Einkopplungsfläche 34 betragen kann, über den Oberflächenbereich 20 erstrecken. Um den großen Wärmeeintrag, der beim Herstellen der Teilbereiche 22S durch Selbstabschreckung entsteht, ohne Nachteile tolerieren zu können, werden die Teilbereiche 22S mit einem Abstand voneinander und nacheinander erzeugt, der mindestens zwei AQ beträgt, noch besser einem Abstand, der wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14 dargestellt, mindestens ungefähr 3 AQ beträgt.
Darüber hinaus wird zum Härten des Oberflächenbereichs 20 zwischen den Teilbereichen 22S in der bereits beschriebenen Weise vorgegangen, nämlich dadurch, daß das Härten des Oberflächenbereichs 20 zwischen den Teilbereichen 22S durch Teilbereiche 221, 2210 etc. erfolgt, die in allen Richtungen eine Erstreckung haben, die maximal der dreifachen Ausdehnung der Einkoppelfläche 34 in dieser Richtung entspricht, vorzugsweise maximal der doppelten Ausdehnung der Einkoppelfläche 34 in dieser Richtung.
Ferner werden die Teilbereiche 221, 2210 etc. in gleicher Weise erzeugt, wie beim dritten, vierten oder fünften Ausführungsbeispiel, so daß Anlaßeffekte beim Überlappen zwischen den Teilbereichen 221 und 2210 sowie den Teilbereichen 221 und 22S1 vernachlässigbar sind und somit auch im Überlappungsbereich die Härteeinbrüche geringer sind als ungefähr 20% der mittleren Härte in den jeweiligen Teilbereichen 22.

Claims (33)

  1. Verfahren zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks, bei welchem nacheinander Teilbereiche des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls durch Aufheizen und Abschrecken des Gefüges erzeugt werden, wobei jeder Teilbereich durch eine zusammenhängende Oberfläche eines ungefähr dieselbe Härte aufweisenden Gefüges gebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl auf den Teilbereich (22) so einwirkt, daß mit dem Laserstrahl (30) über eine dem Fokusbereich (32) entsprechende Kopplungsfläche (34) während einer Aufheizdauer im Bereich von ungefähr 0,01 Sek. bis ungefähr 2 Sek. Energie zum Härten des Gefüges eingekoppelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (30) während der Aufheizdauer mit maximal fünf Laserpulsen über die Einkopplungsfläche (34) einwirkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (30) während der gesamten Aufheizdauer mit einem einzigen Laserpuls über die Einkopplungsfläche (34) einwirkt.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (30) eine Wellenlänge im Bereich zwischen 500 und 1100 nm aufweist.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (30) von einem Halbleiterlaser erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nebeneinander liegende Teilbereiche (22) in einem Zeitabstand aufgeheizt werden, während dessen mindestens zwei weiter entfernt liegende Teilbereiche (22) aufgeheizt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unmittelbar nebeneinander liegende Teilbereiche (22) in einem zeitlichen Abstand voneinander aufgeheizt werden, während dessen mindestens fünf weitere Teilbereiche (22) aufgeheizt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unmittelbar nebeneinander liegende Teilbereiche (22) in einem Zeitabstand aufgeheizt werden, während dessen mindestens zehn weitere Teilbereiche (22) aufgeheizt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Teilbereiche (22) in einem Abstand von den unmittelbar nebeneinander liegenden Teilbereichen (22) angeordnet sind, der mindestens einem fünffachen der Ausdehnung des ersten der unmittelbar nebeneinanderliegenden Teilbereiche (22) in der Abstandsrichtung (40) entspricht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Teilbereiche (22) von den unmittelbar nebeneinander liegenden Teilbereichen (22) einen Abstand aufweisen, der mindestens einem zehnfachen der Ausdehnung des ersten der unmittelbar nebeneinanderliegenden der Teilbereiche (22) in Abstandsrichtung (40) entspricht.
  11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen durch die Laserstrahlung (30) am Rand jedes über die Austenitisierungstemperatur aufgeheizten Teilbereichs (22) zu einem Temperaturgradient von größer als 500°/mm führt.
  12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen jedes Teilbereichs (22) durch Selbstabschreckung erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilbereich (22) eine Flächenausdehnung aufweist, welche in jeder Richtung (14, 16) maximal einer fünffachen Ausdehnung der Einkopplungsfläche (34) innerhalb des jeweiligen Teilbereichs entspricht.
  14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenausdehnung jedes Teilbereichs (22) im wesentlichen des maximalen der zweifachen Flächenausdehnung der Einkopplungsfläche innerhalb des Teilbereichs (22) entspricht.
  15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Teilbereiche (22) in unterschiedlichen Richtungen (14, 16) Flächenausdehnungen aufweist, die sich maximal um einen Faktor 3 unterscheiden.
  16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Teilbereich (22) in jeder Richtung des Oberflächenbereichs (20) bis maximal 10 mm ausdehnt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Teilbereich (22) in jeder Richtung bis maximal 5 mm ausdehnt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Teilbereich in jeder Richtung bis maximal 2 mm ausdehnt.
  19. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge in jedem Teilbereich (22) eine Einhärtetiefe (AT) aufweist, die in der Größenordnung der maximalen Ausdehnung des Teilbereichs (22) in einer der Richtungen (14, 16) der Flächenausdehnung liegt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhärtetiefe (AT) höchstens der maximalen Ausdehnung des jeweiligen Teilbereichs (22) in einer der Richtungen (14, 16) der Flächenausdehnung entspricht.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhärtetiefe (AT) maximal 50% der maximalen Ausdehnung des Teilbereichs (22) in einer der Richtungen (14, 16) der Flächenausdehnung entspricht.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhärtetiefe mindestens 20% der maximalen Ausdehnung des Teilbereichs (22) in einer der Richtungen (14, 16) entspricht.
  23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Laserpulses mindestens 104 Watt/cm2 entspricht.
  24. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Laserpulses kleiner 106 Watt/cm2 ist.
  25. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nebeneinander liegende Teilbereiche (22) einen Abstand voneinander aufweisen.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand unmittelbar nebeneinander liegender Teilbereiche (22) mindestens 1/10 der Ausdehnung der Teilbereiche (22) in Abstandsrichtung entspricht.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand unmittelbar nebeneinander liegender Teilbereiche (22) mindestens der Hälfte der Ausdehnung der Teilbereiche (22) in Abstandsrichtung entspricht.
  28. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nebeneinander liegende Teilbereiche (22) einen Abstand voneinander aufweise, der weniger als 1/10 der Ausdehnung der Teilbereiche (22) in Abstandsrichtung beträgt.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nebeneinander liegende Teilbereiche (22) überlappend angeordnet sind.
  30. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Teilbereiche (22) ein außerhalb desselben liegender angelassener Bereich in einer radialen Richtung zu einem Mittelpunkt des Teilbereichs (22) eine Ausdehnung von weniger als 1/5 der Ausdehnung des Teilbereichs (22) in dieser Richtung aufweist.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der angelassene Bereich eine Ausdehnung von weniger als 1/10 aufweist.
  32. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (22) so dicht nebeneinander liegen, daß die Härte (H) des Gefüges zwischen den Teilbereichen (22) um maximal 50% gegenüber der Härte (H) des Gefüges innerhalb der Teilbereiche abfällt.
  33. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (22) sich zu einem Oberflächenbereich (20) mit näherungsweise im Mittel eine gleichmäßige Härte aufweisenden Gefüge ergänzen.
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