Optimierung des gepulsten Laserhärtens und Anlassens zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von bauteilähnlichen Proben aus Stahl

Die Wärmeeinflusszone neben einer lasergehärteten Spur weist geringe Härten und hohe Zugeigenspannungen auf. Daraus folgt eine Abnahme der lokalen Dauerfestigkeit, und bei einer homogenen Verteilung der Lastspannungen findet die Rissinitiierung somit immer in diesem Bereich statt. Im Vergleich zum kontinuierlichen Laserbetrieb bewirkt eine gepulste Energieeinbringung eine erhöhte Randschichthärte und Einhärtetiefe. Bisherige Untersuchungen zeigen jedoch, dass sich die Werkstoffeigenschaften hinsichtlich der Dauerfestigkeit im Falle eines örtlichen Aufschmelzens der Oberfläche wesentlich verschlechtern. Für die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens lasergehärteter Bereiche wurden deshalb in dieser Arbeit Proben mit bauteilähnlichen Geometrien – aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4 – im Bereich lokaler Spannungsüberhöhungen (Bohrungen oder Kehlen), an denen es bei schwingender Beanspruchung zu Ermüdungsrissbildung kommt, gepulst lasergehärtet. Am Beginn der Untersuchung wurden zunächst einige Vorversuche durchgeführt. Damit werden für die gewählten Kombinationen aus Probengeometrie und Belastung optimale Parameter für die Laserstrahlhärtung bestimmt. Mit der Zielsetzung optimaler Einhärtetiefen und des Einbringens von Druckeigenspannungen im Bereich maximaler Lastspannungen, wurde eine Steigerung der lokalen Dauerfestigkeit angestrebt. Infolge der begrenzten Wärmeabfuhr kann es während der Laserstrahlbehandlung im Bereich von Kanten zu einer Überhitzung und zu einem örtlichen Aufschmelzen kommen. Der gepulste Laserprozess sollte dahingehend optimiert werden, dass auch im Bereich von Kanten die Schmelztemperatur, bei gleichzeitig hohen Einhärtetiefen, nicht überschritten wird. In weiterer Folge mussten die Anlasszone und die damit verbundenen Zugeigenspannungen möglichst weit entfernt von den höchstbeanspruchten Stellen platziert werden. Das Zusammenwirken einer optimalen Einhärtetiefe und der gezielt im Bereich der höchsten Lastspannungen eingebrachten Druckeigenspannungen bewirkt eine Erhöhung der lokalen Dauerfestigkeit. Außerdem wurde der Einfluss einer lokalen Kurzzeitanlassbehandlung mit Hilfe einer Laserbestrahlung untersucht, wofür Vergleichanlassbehandlungen in einem Ofen durchgeführt wurden.