Laserharden is een industrieel oppervlaktebehandelingsproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een krachtige laserstraal om metalen onderdelen snel te verwarmen en vervolgens af te schrikken om de hardheid en slijtvastheid te vergroten.Interne laserhardingvoert dit proces door naar de binnenkant van metalen componenten om interne boringen en holtes selectief te verharden. Hoewel beide methoden afhankelijk zijn van laserenergie om materiaaleigenschappen te transformeren, verschillen hun mechanismen en toepassingen.
In dit artikel onderzoeken we eerst conventionele laserharding en onderzoeken vervolgens wat interne laserharding uniek maakt. We vergelijken de verwarmingsmethoden, verhardingsdiepte, haalbare hardheid, aangetaste microstructuren, beperkingen en ideale toepassingen van elk proces. Het begrijpen van de mogelijkheden van deze twee lasergebaseerde benaderingen geeft inzicht in welke techniek het beste werkt voor specifieke hardheidsvereisten.
Overzicht van laserharden
Laserharden, of laseroppervlakteharden, is een beproefd thermisch proces dat wordt gebruikt om de hardheid en duurzaamheid van oppervlakken van metalen onderdelen te vergroten. Een krachtige laser verwarmt de bovenste laag van het werkstuk nauwkeurig tot een smeltbad, dat vervolgens snel verdwijnt en uitdooft.
Deze extreme thermische gradiënt induceert martensitische microstructurele transformaties die een 2 tot 5 maal grotere oppervlaktehardheid veroorzaken. De belangrijkste betrokken mechanismen zijn onder meer:
- Snel smelten en stollen van een dunne oppervlaktelaag
- Onderdrukte vorming van zachtere fasen zoals ferriet/perliet
- Martensitische microstructuurvorming tijdens snelle uitdoving
- Versterking van de vaste oplossing door het oplossen van carbiden
- Korrelverfijning van martensiet
Laserharden zorgt alleen voor selectieve verharding waar dat nodig is, met minimale vervorming en consistente resultaten. Beperkingen zijn onder meer vereisten voor zichtlijnen en voornamelijk oppervlakteverhardingseffecten.
Hoe interne laserharding verschilt
Interne laserharding is ontwikkeld om de gezichtslijnbeperkingen van conventionele laserharding te overwinnen. Hiermee kunnen oppervlakken in boringen, holtes en inkepingen selectief worden gehard met behulp van een laserstraal aan de binnenkant.
De laserstraal wordt via glasvezelkabels de binnenruimte in gestuurd. Een focusseerlens richt de straal vervolgens op het interne oppervlak terwijl het werkstuk draait. Hierdoor kunnen gebogen interne geometrieën worden gehard zonder directe externe zichtlijn.
De belangrijkste verschillen ten opzichte van extern laserharden zijn onder meer:
- Verharding van interne oppervlakken tot een binnendiameter van 60 mm
- Lagere vermogensdichtheid vereist in besloten ruimtes
- Verhoogde verhardingsdiepte tot 6 mm vanaf het oppervlak
- Mogelijkheid om concave en zijwandoppervlakken te verharden
- Minimale uitwendige verhitting of verkleuring
- Beperkt tot cilindrische oppervlakken en geometrieën
- Vertrouwt op minder gevestigde fiberlasertechnologie
De diepere verhardingseffecten zijn het gevolg van een langere laserbelichtingstijd op elk deel van het roterende interne oppervlak. Hierdoor kan de warmte verder naar binnen dringen.
Haalbare hardheid en aangetast metaalgebied
Bij standaard laserharden verwarmt de hoge vermogensdichtheid snel een dunne laag van minder dan 1 mm diep voordat deze verdwijnt in het koelere onderliggende metaal. Dit resulteert voornamelijk in verharding binnen 0.1-0,5 mm van het bovenoppervlak. De hardheid varieert van 50 tot 70 HRC, afhankelijk van de metaallegering.
Interne laserharding kan enkele millimeters onder het oppervlak een hardheid tot 60 HRC produceren. De grotere uithardingsdiepte is nuttig voor toepassingen waarbij een grotere slijtvastheid onder het oppervlak nodig is. De door de hardheid beïnvloede zone is echter nog steeds gelokaliseerd, zoals bij laserharden.
Microstructurele veranderingen
In beide processen induceert de snelle verwarming en koeling van het oppervlak de vorming van martensitische microstructuren. Dit vervangt zachtere perliet en ferriet om de hardheid en sterkte te vergroten. De mechanismen van korrelverfijning, carbidetransformatie en versterking van de vaste oplossing vinden plaats.
Het verschil ligt in de diepte waarin deze microstructurele veranderingen zich onder het oppervlak uitstrekken, en zijn veel dieper bij interne laserharding. Uiteindelijk is de bereikte hardheid echter vergelijkbaar.
Ideale toepassingen en beperkingen
Externe laserharding werkt goed voor vlakke of voorgevormde externe componentoppervlakken. Dankzij interne laserharding kunnen interne cilindrische boringen en holtes selectief worden gehard zonder demontage.
Voorbeelden van toepassingen zijn onder meer:
Laserharden – tandwielen, assen, kleppen, turbinebladen, persmatrijzen
Interne laserharding – Motorcilinders, geweerlopen, hydraulische cilinders, extruderlopen, lagerringen
Beperkingen omvatten vereisten voor directe zichtlijntoegang bij laserharden en specifieke cilindrische geometrie voor interne harden. Alternatieve methoden werken mogelijk beter voor complexe vormen.
Samenvattend biedt interne laserharding een gespecialiseerde mogelijkheid om interne oppervlakken te harden buiten het bereik van externe laserharding. Als u de vergelijkende voordelen en beperkingen begrijpt, kunt u bepalen welke laserhardingsbenadering optimaal is op basis van de gewenste hardingslocatie, diepte en componentgeometrie. Nu er twee lasergebaseerde opties beschikbaar zijn, kunnen ingenieurs de beste techniek specificeren voor de hardheidsbehoeften van elke toepassing.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. is een hightech onderneming gespecialiseerd in R&D, productie en verkoop van automatische lasercladmachines, hogesnelheidslasercladmachines, laserblusmachines, laserlasmachines en laser 3D-printapparatuur. Onze producten zijn kosteneffectief en worden in binnen- en buitenland verkocht. Als u geïnteresseerd bent in onze producten, neem dan contact met ons op viabob@gshenglaser.com.