Die Erfindung betrifft ein oberflächengehärtetes

rotationssymmetrisches Werkstück, ein Härtungsverfahren und eine Härtungsvorrichtung. Insbesondere betrifft die

Erfindung rotationssymmetrische Werkzeuge, die auf ihrer Mantelfläche mindestens einen Arbeitsbereich aufweisen, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Werkzeugs auf ein zu bearbeitendes Material einwirkt.

Beispiele für derartige Werkzeuge sind Walzen, wie sie in Walzwerken zur Formgebung von Stahlprodukten verwendet werden, und Kegel, wie sie in Kegelbrechern zur

Zerkleinerung von Gestein verwendet werden. Vorgeschlagen werden auch Verfahren zur Oberflächenhärtung derartiger Produkte sowie Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren .

Martensitisches Umwandlungshärten durch Einwirkung

gebündelter energiereicher Laserstrahlung ist bekannt. Beim Laserhärten wird die Randschicht kohlenstoffhaltiger

Eisenwerkstoffe (C- Gehalt > 0,3 %) so schnell aufgeheizt, dass die Abkühlung als Selbstabschreckung durch die

umgebenden kalten Materialschichten erfolgt. Der Vorgang der Erwärmung, Austenitisierung und Abschreckung zu

Martensitbildung ist der gleiche wie bei der konventionellen martensitischen Härtetechnik, läuft jedoch bei kürzeren Zeiten und höheren Temperaturen bis knapp unterhalb der Schmelzgrenze ab. Die Einhärtetiefe ist auf Werte unter 2 mm begrenzt, da über die Wärmeleitung die Selbstabschreckung gewährleistet werden muss und die Begrenzung der

Oberflächentemperatur auf die Schmelztemperatur die

Austenitisierungstiefe begrenzt.

Die Anwendung des Laserhärtens ist bisher außerdem auf kleine Bereiche der Oberfläche eines zu härtenden Werkstücks begrenzt, weil der Einwirkbereich des fokussierten

Laserstrahls relativ klein ist und daher eine Härtung sehr großer Oberflächen auf diesem Wege nicht nur sehr

zeitaufwändig wäre, sondern eine über die gesamte Oberfläche homogene Härtung damit bisher nicht möglich erschien.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, die es ermöglichen, auch relativ große Oberflächen, insbesondere von großen

rotationssymmetrischen Werkstücken wie Profilwalzen für Stahlwalzwerke, Brecherkegel für Kegelbrecher,

Antriebswellen für Windkraftwerke oder andere

Energieerzeugungs- oder -Umwandlungsanlagen und dergleichen, relativ homogen zu härten, und Anwendungsgebiete für diese Verfahren und Vorrichtungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Härtungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Härtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein

rotationssymmetrisches Werkstück mit den Merkmalen des

Anspruchs 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Vorgeschlagen wird zunächst ein Härtungsverfahren zum Oberflächenhärten eines rotationssymmetrischen Werkstücks mit einer Mantelfläche und einer Längsachse, bei dem

mindestens eine Laservorrichtung so auf das Werkstück gerichtet wird, dass eine von der Laservorrichtung erzeugte, gebündelte energiereiche Strahlung auf einen Einwirkbereich der Mantelfläche einwirkt, wobei

• das Werkstück um seine Längsachse drehbar gehalten und mit einer wählbaren Rotationsgeschwindigkeit in Rotation um seine Längsachse versetzt wird, und · die mindestens eine Laservorrichtung entlang der

Längsachse des Werkstücks bewegt wird.

Das vorgeschlagene Härtungsverfahren ermöglicht es, relativ große Oberflächenbereiche rotationssymmetrischer Werkstücke vergleichsweise schnell, einfach und mit sehr homogenem Härteverlauf zu härten. Hierzu trägt vor allem bei, dass die Intensität der von der Laservorrichtung erzeugten

energiereichen Strahlung aufgrund des während der Rotation des Werkstücks konstant bleibenden Abstands zwischen dem zu härtenden Oberflächenbereich und der Laservorrichtung ebenfalls konstant bleibt, und dass die Laservorrichtung durch die Kombination von Rotation (des Werkstücks) und Translation (der Laservorrichtung) große Oberflächenbereiche lückenlos überstreichen kann. Hierzu sind grundsätzlich zwei verschiedene Verfahrensvarianten möglich: In einer ersten, intermittierenden Verfahrensvariante des vorgeschlagenen Härtungsverfahrens kann vorgesehen sein, dass die Laservorrichtung mindestens während einer vollen Umdrehung des Werkstücks relativ zu dessen Längsachse ortsfest gehalten wird,

• anschließend die Laservorrichtung um einen wählbaren axialen Verstellweg entlang der Längsachse bewegt wird, und · die beiden obigen Schritte einmal oder mehrmals

wiederholt werden.

Mit anderen Worten überstreicht der von der Laservorrichtung erzeugte Energiestrahl zunächst einen ringförmigen

Oberflächenbereich, dessen Breite durch die Breite des

Einwirkbereichs des auftreffenden Laserstrahls bestimmt ist. Ist dieser ringförmige Oberflächenbereich nach einer vollen Umdrehung des Werkstücks geschlossen, so wird die Rotation des Werkzeugs gestoppt. Die Laservorrichtung wird in der Längsrichtung des Werkstücks weiterbewegt. Beispielsweise kann der Verstellweg der Laservorrichtung kleiner oder gleich einer axialen Ausdehnung des

Einwirkbereichs gewählt werden und die beiden Schritte

(volle Rotation des Werkstücks, axiale Verstellung der

Laservorrichtung) so oft wiederholt werden, dass der

Einwirkbereich der Laservorrichtung die Mantelfläche des Werkstücks lückenlos überstreicht.

Der Verstellweg der Laservorrichtung kann also

beispielsweise so groß gewählt werden, dass zwei

aufeinanderfolgende, gehärtete ringförmige

Oberflächenbereiche direkt aneinander anschließen, d.h. der Verstellweg entspricht der in der Längsrichtung des

Werkstücks gemessenen Breite des Einwirkbereichs der

Laservorrichtung. Alternativ kann der Verstellweg auch kleiner gewählt sein, weil die Einhärtetiefe zum Rand des ringförmigen Oberflächenbereichs abnimmt. Es entsteht so eine gewisse Überlappung zweier aufeinanderfolgender, gehärteter ringförmiger Oberflächenbereiche, wodurch dieser Effekt ausgeglichen werden kann, insbesondere wenn mit hoher Intensität bestrahlt wird und die Rotationsgeschwindigkeit so hoch ist, dass der zuerst bestrahlte ringförmige

Oberflächenbereich noch nicht vollständig ausgekühlt ist, wenn der nächste ringförmige Oberflächenbereich bestrahlt wird. Für Spezialanwendungen kann der Verstellweg auch größer gewählt werden als die in der Längsrichtung des Werkstücks gemessene Breite des Einwirkbereichs der

Laservorrichtung, wodurch zwischen zwei benachbarten

ringförmigen gehärteten Oberflächenbereichen ein

ringförmiger Oberflächenbereich ungehärtet bleibt.

In einer zweiten, kontinuierlichen Verfahrensvariante des vorgeschlagenen Härtungsverfahrens kann vorgesehen sein, dass die Laservorrichtung während der Rotation des

Werkstücks relativ zu dessen Längsachse bewegt wird. Es ergibt sich damit ein spiralförmiger, d.h.

schraubenlinienförmiger gehärteter Oberflächenbereich.

Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die

Laservorrichtung mit einer relativ zu der gewählten

Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks und der axialen Ausdehnung des Einwirkbereichs so gewählten axialen

Geschwindigkeit bewegt wird, dass der Einwirkbereich der Laservorrichtung die Mantelfläche des Werkstücks lückenlos überstreicht .

Analog wie oben zu der intermittierenden Verfahrensvariante beschrieben kann demnach für eine lückenlose

Oberflächenhärtung die Verstellgeschwindigkeit der

Laservorrichtung in axialer Richtung entweder so gewählt werden, dass der Einwirkbereich des Laserstrahls zu jedem Zeitpunkt bis exakt an die vorherige Windung der

Schraubenlinie heranreicht, oder dass der Einwirkbereich noch einen Randstreifen der vorherigen Windung der

Schraubenlinie überlappt. Alternativ kann auch hier für Spezialanwendungen die Verstellgeschwindigkeit der

Laservorrichtung in axialer Richtung so gewählt werden, dass zwischen je zwei Windungen der gehärteten Schraubenlinie eine ungehärtete Schraubenlinie verbleibt.

Bei der kontinuierlichen Verfahrensvariante des

vorgeschlagenen Härtungsverfahrens kann weiter vorgesehen sein, dass

• zunächst die Laservorrichtung von einer ersten Position zu einer zweiten Position relativ zu der Mantelfläche in axialer Richtung bewegt wird, und

• anschließend die Laservorrichtung von der zweiten

Position zu der ersten Position zurück bewegt wird.

Hierdurch überlagern sich zwei gehärtete Schraubenlinien mit entgegengesetztem Drehsinn, wodurch sich insbesondere in den zuletzt genannten Fällen, bei denen neben der gehärteten Schraubenlinie ungehärtete Oberflächenbereiche erhalten bleiben, auf der zu härtenden Oberfläche ein Rautenmuster ergibt, das insbesondere für Spezialanwendungen von

Interesse ist, auf die noch näher eingegangen wird.

Um eine möglichst homogene Oberflächenhärtung zu erzielen kann bei dem vorgeschlagenen Härtungsverfahren weiter vorgesehen sein, dass die Rotationsgeschwindigkeit des

Werkstücks abhängig von der Strahlungsleistung der

Laservorrichtung, der Größe des Einwirkbereichs und dem Durchmesser des Werkstücks so gewählt wird, dass die in die Mantelfläche eingetragene Energie pro Flächeneinheit im Wesentlichen konstant ist.

Zusätzlich kann das Härtungsverfahren dabei so ausgestaltet sein, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks abhängig von einem lokalen Durchmesser des Werkstücks so gewählt wird, dass die in die Mantelfläche eingetragene Energie pro Flächeneinheit auch bei einem axial

veränderlichen lokalen Durchmesser des Werkstücks im

Wesentlichen konstant ist. Da der Umfang des Werkstücks linear abhängig vom Durchmesser ist, muss bei dieser

Ausgestaltung die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks verringert werden, wenn der aktuelle Durchmesser, den der Einwirkbereich der Laservorrichtung überstreicht, während der Axialbewegung der Laservorrichtung zunimmt. Analog muss die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks vergrößert werden, wenn der aktuelle Durchmesser, den der

Einwirkbereich der Laservorrichtung überstreicht, während der Axialbewegung der Laservorrichtung abnimmt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks in dem vom Einwirkbereich der

Laservorrichtung überstrichenen Oberflächenbereich konstant gehalten wird.

Das vorgeschlagene Härtungsverfahren kann beispielsweise auf einer Vorrichtung durchgeführt werden, die das Werkstück rotierend hält und neben der ein Industrieroboter angeordnet ist, der die Laservorrichtung so hält, dass die Strahlung auf die zu härtende Oberfläche trifft und der die

Laservorrichtung während des Verfahrens parallel zur

Längsachse des Werkstücks bewegt.

Alternativ hierzu kann das vorgeschlagene Härtungsverfahren auf einer speziell dafür eingerichteten Härtungsvorrichtung zum Oberflächenhärten eines rotationssymmetrischen

Werkstücks durchgeführt werden, die ein Maschinengestell umfasst, an dem zwei koaxial angeordnete, zur Aufnahme eines rotationssymmetrischen Werkstücks ausgebildete Drehlager angeordnet sind, wobei mindestens ein Drehlager mit einer Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Rotation des

Werkstücks wirkverbunden ist, und an dem mindestens eine Laservorrichtung zur Erzeugung einer gebündelten

energiereichen Strahlung angeordnet ist, die in axialer Richtung bewegbar ist, wobei die Strahlung auf das Werkstück gerichtet ist.

Diese Vorrichtung erfüllt also die Funktionen des Haltens und des Drehens des Werkstücks sowie des Haltens und der

Axialbewegung der Laservorrichtung gleichzeitig. Dadurch können besonders einfach und vorteilhaft gewünschte

Parameter des Verfahrens, beispielsweise die

Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks, die

Verstellgeschwindigkeit der Laservorrichtung, die

Strahlungsleistung der Laservorrichtung usw., eingestellt, überwacht und gegebenenfalls reguliert, d.h. gesteuert oder geregelt werden.

Deshalb umfasst die vorgeschlagene Härtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Steuereinrichtung, die zur Beeinflussung des Energieeintrags in das Werkstück zur

Steuerung der Rotation des Werkstücks oder/und der

Translation der mindestens einen Laservorrichtung oder/und der Leistung der mindestens einen Laservorrichtung

ausgebildet ist.

In einer Weiterbildung der Härtungsvorrichtung kann

vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Laservorrichtungen mit einem jeweiligen radialen Abstand von der äußeren

Mantelfläche des Werkstücks, um die Längsachse des

Werkstücks verteilt, so angeordnet und ausgerichtet ist, dass die von ihnen erzeugte Strahlung über den gesamten Umfang des Werkstücks auf das Werkstück auftrifft.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen

Härtungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die

Laservorrichtung oder die Mehrzahl von Laservorrichtungen mit einer Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Bewegung in axialer Richtung des Werkstücks wirkverbunden sind. Diese Antriebseinrichtung, beispielsweise ein Elektromotor, kann dabei die Laservorrichtung mit einer relativ zu der

gewählten Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks und der axialen Ausdehnung des Einwirkbereichs so gewählten axialen Geschwindigkeit bewegen, dass der Einwirkbereich der

Laservorrichtung die Mantelfläche des Werkstücks lückenlos überstreicht.

Die vorgeschlagene Härtungsvorrichtung kann in einer

vorteilhaften Ausgestaltung so betrieben werden, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks abhängig von der Strahlungsleistung der Laservorrichtung, der Größe des Einwirkbereichs und dem Durchmesser des Werkstücks so gewählt wird, dass die in die Mantelfläche eingetragene Energie pro Flächeneinheit im Wesentlichen konstant ist.

Besonders vorteilhaft kann die vorgeschlagene

Härtungsvorrichtung so betrieben werden, dass die

Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks abhängig von einem lokalen Durchmesser des Werkstücks so gewählt wird, dass die in die Mantelfläche eingetragene Energie pro Flächeneinheit auch bei einem axial veränderlichen lokalen Durchmesser des Werkstücks im Wesentlichen konstant ist.

Das vorgeschlagene Härtungsverfahren sowie die

vorgeschlagene Härtungsvorrichtung können besonders

vorteilhaft bei der Herstellung eines rotationssymmetrischen Werkstücks verwendet werden, das auf seiner Mantelfläche mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich aufweisen soll. Derartige Werkstücke können beispielsweise als rotationssymmetrisches Werkzeug Verwendung finden, das auf seiner Mantelfläche mindestens einen Arbeitsbereich

aufweist, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des

Werkzeugs auf ein zu bearbeitendes Material einwirkt.

Beispiele für ein rotationssymmetrische Werkstück, das unter Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens oder/und auf der vorgeschlagenen Vorrichtung bearbeitet werden können, sind eine Profilwalze eines Stahlwalzwerks, die eine Welle sowie mindestens ein auf der Welle angeordnetes Kaliber aufweist, dessen äußere Mantelfläche den gehärteten Oberflächenbereich aufweist, ein Brecherkegel eines Kegelbrechers, dessen äußere Mantelfläche den gehärteten Oberflächenbereich aufweist, eine Antriebswelle einer Energieerzeugungs- oder - Umwandlungsanlage, beispielsweise eines Windkraftwerks, die mindestens einen auf der Welle angeordneten Lagersitz aufweist, dessen äußere Mantelfläche den gehärteten

Oberflächenbereich aufweist, usw. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung zweier in einem

Stahlwalzwerk zusammenwirkender Profilwalzen, Fig. 2 einen Brecherkegel eines Kegelbrechers, und

Fig. 3 die Oberflächenhärtung einer Profilwalze mittels zweier Laservorrichtungen.

Fig. 1 zeigt zwei zusammenwirkende, gegenläufige

Profilwalzen 1, wie sie in Stahlwalzwerken zur Herstellung von Stahlprofilen eingesetzt werden. Der Begriff „Kaliber" 2 bezeichnet die Profilierung im Walzenballen für das Walzen von Langprodukten. Die umlaufenden Rillen in den

Profilwalzen 1 ergeben mit den Rillen der Gegenwalze und dem Walzenabstand das Profil. Die hier gezeigten, jeweils durch das Zusammenwirken der oberen und unteren Profilwalze 1 gebildeten geschlossenen Kaliber 2 erlauben eine allseitige Formgebung. Profilwalzen 1 unterliegen in ihrem Lebenszyklus einem sehr hohen Verschleiß. Dieser Verschleiß kann durch eine gehärtete Oberflächenschicht der Profilwalze 1

verringert und dadurch deren Lebensdauer erheblich erhöht werden .

Fig. 2 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Kegelbrechers, der zur Zerkleinerung von Gestein verwendet wird. In einem Brechergehäuse 3 ist ein Brecherkegel 4 mit einem von oben nach unten geringer werdenden Abstand zur inneren Wand des Brechergehäuses 3 angeordnet. Der Brecherkegel 4 ist um seine Hochachse rotierend angebracht. Von oben eingefüllte Gesteinsbrocken werden durch die Reibung, der das Gestein zwischen der inneren Wand des Brechergehäuses 3 und der äußeren Mantelfläche des Brecherkegels 4 ausgesetzt ist, zerkleinert. Die dadurch entstehenden Bruchstücke fallen weiter in den sich nach unten verjüngenden Ringspalt

zwischen Brechergehäuse 3 und Brecherkegel 4 hinab und werden wiederum zerkleinert. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis die erzeugten Bruchstücke so klein sind, dass sie nicht mehr im Ringspalt gehalten werden und daher nach unten aus dem Kegelbrecher herausfallen. Der

Brecherkegel 4 ist wegen der Einwirkung der Gesteinsbrocken ebenfalls einem sehr hohen Verschleiß ausgesetzt. Dieser Verschleiß kann durch eine gehärtete Oberflächenschicht der Mantelfläche des Brecherkegels 4 verringert und dadurch dessen Lebensdauer erheblich erhöht werden.

Mit dem vorgeschlagenen Härtungsverfahren ist es möglich, entweder die Mantelfläche des Brecherkegels 4 einer

vollständigen Oberflächenhärtung zu unterziehen, oder die Mantelfläche nur selektiv, beispielsweise streifenweise zu härten. Dabei können weiter beispielsweise gehärtete

Streifen erzeugt werden, die ein Rautenmuster bilden. Die selektive Härtung führt dazu, dass die Gesteinsbrocken die ungehärteten Bereiche stärker abnutzen, so dass sich mit der Zeit zwischen den gehärteten Bereichen Auswaschungen bilden, die die Zerkleinerungswirkung des Kegelbrechers erhöhen. Fig. 3 zeigt eine erste Verfahrensvariante zur

Oberflächenhärtung einer Profilwalze 1 im Bereich der darauf angeordneten Kaliber. Dazu wird die Profilwalze 1 in eine Härtungsvorrichtung drehbar eingespannt, die eine

kontrollierte Rotationsbewegung der Profilwalze 1 erzeugt.

An oder neben der Härtungsvorrichtung ist mindestens eine Laservorrichtung 5 angeordnet, die beispielsweise von einem Industrieroboter gehalten sein kann, der in allen Richtungen beweglich ist. Die Laservorrichtung 5 projiziert einen

Laserstrahl direkt auf die Profilwalze 1. Mittels einer Steuerungseinrichtung folgt der Laserstrahl in einer

Spirale, Linien oder anderen denkbaren Formen der

Profilwalzengeometrie .

Durch diese Methode werden Härtespuren mit ca. 1 mm

Härtetiefe auf der Profilwalze 1 erzeugt. Die Härte wird durch den Werkstoff bestimmt und kann bis ca. 30% Erhöhung gegenüber dem Grundmaterial betragen.

Leider nimmt die Spurenbildung negativen Einfluss auf die Geometrie des Walzgutes. Diese Spurenbildung entsteht, wenn der Laserstrahl nicht die nötige Breite besitzt, um das gesamten Profil abzudecken, so dass in einer Spirale in radialer Richtung viele Spuren nebeneinander gelegt werden müssen, oder wo die Laserbeschießung beginnt und endet.

Zur Vermeidung der Spurenbildung kann die Überlappung benachbarter Spuren so erhöht werden, dass eine gleichmäßige Härteschicht entsteht, z.B. indem benachbarte Spuren sich um 5 mm oder 10 mm überlappen.

Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Spurenbildung besteht darin, die Profilwalze 1 mit zwei Laservorrichtungen 5, die sich um die Profilwalze 1 herum bewegen, zu

bestrahlen. Dazu können die Laservorrichtungen 5 gemeinsam an einem beliebigen Punkt auf der Profilwalze 1 mit der Bestrahlung beginnen und sich anschließend auf einer

Umlaufbahn um die Profilwalze 1 herum bewegen. Beide

Laservorrichtungen 5 treffen sich auf der genau

gegenüberliegenden Seite (180°) der Profilwalze 1 und beenden die Bestrahlung. Alternativ kann eine Laservorrichtung 5 fest angeordnet sein, die Profilwalze 1 in eine Rotationsbewegung versetzt und die zweite Laservorrichtung 5 kreisend bis zum

Startpunkt (360°) bewegt werden.

Oberflächengehärtetes rotationssymmetrisches Werkstück, Härtungsverfahren und Härtungsvorrichtung

Bezugszeichenliste Profilwalze

Kaliber

Brechergehäuse

Brecherkegel

Laservorrichtung