Tribotechnické listy

 

 

Laserem nanesené vrstvy

V minulém čísle TriboTechniky (2/2011) jsme se věnovali povrchovému kalení laserovým paprskem. Tento způsob zvyšování povrchových vlastností je však omezen výběrem materiálu (musí mít dostatek uhlíku a legujících prvků) a nechrání povrch před dalším namáháním jako třeba koroze nebo vysokoteplotní oxidace. Laserem je ale možné také nanášet vrstvy (laser cladding), které rozšíří vlastnosti povrchů o další výhody.
MATEX PM s.r.o. je první firma v ČR, která posunula experimentální vývoj do reálné zakázkové výroby.

 

Laser cladding je historicky jen o něco mladší než jeho sourozenci - řezání a svařování. Za několik posledních let dosáhl dospělosti a stala se z něho technologie použitelá v průmyslu. Především díky zdokonalení diodových laserů a zlepšení jejich účinnosti. Na rozdíl od zmiňovaného povrchového kalení, kde je zpevnění dosahováno změnami struktury, je u nanášených vrstev požadovaná vlastnost povrchu získána volbou přídavného materiálu. Snižují se tak náklady na výrobu - matrice může být vyrobena z levnějšího materiálu a povrch nebo jeho funkční část je chráněna vhodně zvolenou vrstvou.
V zásadě se proces podobá na-vařování plasmou nebo oblou-kovými metodami s tím rozdílem, že zdrojem tepla není oblouk, ale laserový paprsek a přídavným materiálem není elektroda ale prášek. Výhodou je zejména nízké vnesené teplo a s ním spojená pnutí i deformace. Srovnávat lze minimální pnutí i s vrstvami vytvořenými HVOF (High Velocity Oxigen Fuel), které však bývají porézní (takže nefungují jako antikorozní ochrana) a protože nejsou difuzně spojeny s podkladem, mají také horší přilnavost.

 

Základy laserového navařování
Proces laserového navařování prošel vývojem a řadou změn. V prvních pokusech byl prášek nanášen na povrch pomocí gelové suspenze a po zaschnutí přetaven laserem. Díky celkové složitosti následovala varian-ta, kdy byl prášek přiváděn ze strany pomocí trysky do osy paprsku.

 

matex


Hlavní nevýhodou byla nerovnoměrnost tloušťky vrstev. V současnosti se používá tzv. koaxiální uspořádání. Celé zařízení vypadá tak, že na konci světlovodného vlákna je optika fokusující paprsek do požadované velikosti a nástavec, kterým se v ochranném plynu přivádí přídavný materiál prakticky rovnoběžně s paprskem. Cestou k podkladu je nataven jak přídavný prášek, tak částečně i povrch součástky. Tím dochází ke kovovému spojení se stupněm promícháním kolem 5 %. Promíchání je tedy výrazně menší než u obloukového navařování (projeví se menším pnutím), ale zase větší než u HVOF (tam není povrch nataven a promíchání je 0 %, což snižuje přilnavost vrstvy). Celý nástřik probíhá velmi rychle, podkladový materiál se prohřívá jen málo, což vede k rychlému odvodu tepla z vytvořné vrstvy. Výsledkem jsou příznivé jemnozrnné struktury s vyšší tvrdostí než je běžné u ostatních metod. Šířka jednotlivé stopy závisí na dostupném výkonu laseru a optice, obvykle několik milimetrů až centimetrů, stopy lze libovolně napojovat do velkých ploch. Tloušťka vrstvy bývá do 2 mm, ale je možné nanášet vrstvy postupně i ve větších tloušťkách, roste ale i nebezpečí odloupnutí vrstvy. Pod vrstvou bývá zakalená teplem ovlivněná oblast základního materiálu se zhruba stejnou šířkou.

 

matex1


Ochrana před korozí nebo otěrem
Vlastnosti vrstvy závisí především na volbě prášku. Běžně se navařují austenitické anti-korozní vrstvy, tvrdé vysokolegované nástrojové materiály, ale také teplotně odolné vrstvy na bázi Ni nebo Zr, abrazivzdorné kobaltové slitiny (Stellity), karbidické prášky (W,Cr)C nebo slitiny Ti. Ochrana proti korozi je významně lepší, než u HVOF nástřiků, protože ty jsou sami o sobě porézní. Otěruvzdornost laserem navařených laserem je lepší ve srovnání s obloukovým nebo plasmovým navařováním při použití stejného prášku se shodným chemickým složením, jak prokazují publikované články. Vysvětlení je nutné hledat opět ve velké ochlazovací rychlosti, spojené se zákalnější jemnozrnnou strukturou, jemnými rovnoměrně rozloženými karbidy a vyšší tvrdostí.

 

Opravy a nové díly
Důvodů proč navařovat materiál na povrch je řada. První důvod je doplnění materiálu, který chybí kvůli otěru nebo korozi již provozovaných dílů. Zvláště to platí u součástí, kde k poškození dochází lokálně, např. u hřídelí v místech pod ložisky. Řada firem se např. zabývá opravami forem. Hmotné odlitky o váze několika tun obsahují vnitřní licí vady, které se během obrábění dostávají na povrch. Následuje jejich vybroušení a doplnění materiálu některou obloukovou svařovací metodou. Problémem je velké vnesené teplo a s ním spojné deformace, velké přídavky pro následné opracování v tvrdém stavu, jedná se o ruční opravy závislé na zkušenostech pracovníka. Laserové navařování se stává lepší a stále častěji vyhledávanou alternativou. Vyrobit nový díl totiž znamená další náklady, problémy bývají i se lhůtami pro dodání nových odlitků nebo výkovků.
Dalším důvodem je úspora materiálu. V některých případech se nevyplatí vyrobit součást z vysoko legovaného materiálu, který je většinou drahý, nebo se těžko obrábí, nebo... Každý si může doplnit další na základě vlastních zkušeností. A tak se nádoby pro petrochemický průmysl svařují z konstrukčních ocelí a vnitřek se vyvařuje austenitickými návary, případně se chrání galvanickým niklováním a chromováním. Podobné postupy se uplatňují u válců pro papírenský průmysl atd.

 

matex2


Podrobnější informace o laserovém zpracování povrchů najdete na www.matexpm.com, kde je také ke stažení sborník z nedávné konference „Využití laserů v průmyslu".

 


Dr. Stanislav Němeček, Ing. Tomáš Mužík,  MATEX PM, s.r.o.

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
3 + 8 =
Odoslanie formulára

Najsilnejšia čistiaca utierka na trhu

aaa MEWA - priemyselne_utierky

aaa

Online Tribotechnika 3 -2017

TriboTechnika_5_2017 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd