Tribotechnické listy

 

 

Přetavování a legování povrchů laserovým paprskem

Použití laserového paprsku při zpracování kovových povrchů není omezeno jen na kalení nebo navařování. V příspěvku jsou ukázány výsledky aplikací, kdy paprsek přetaví tenkou povrchovou vrstvu a rychlým odvedením tepla se získává jemnozrnná tvrdá struktura s často překvapujícími vlastnostmi. Druhou zmiňovanou možností je legování povrchu v kombinaci s laserovým ohřevem pro lokální nitridaci nebo cementaci.

 

Remelting - přetavování povrchu
Přetavování je jednou z možných aplikací, jak dosáhnout zajímavých vlastností povrchu bez přidávání přídavných legujících materiálů.
Přetavením povrchu litiny dostáváme dvě zóny s rozdílnou strukturou i tvrdostmi. Pod povrchem, kde došlo k přetavení, není původní grafit, ale vzniká bílá litina s velkým podílem velmi jemného ledeburitu, vyplněného v meziprostorech martenzitem a zbytkovým austenistem, obr. 1 vlevo. Tvrdosti se pohybují až kolem 1 000 HV. Následuje překalená oblast, kde sice nedošlo k natavení, ale k zakalení. I zde jsou velmi vysoké hodnoty tvrdosti, stále 600 - 800 HV. Kolem grafitu dochází k difuzi a přesycení uhlíkem, takže částice jsou lemovány ledeburitem. Ve struktuře ale převládá martenzit a zbytkový austenit, jehož podíl směrem dovnitř materiálu klesá.
Na obr. 2 jsou dvě sousedící přetavené stopy na uhlíkové oceli C45. Průběh tvrdosti ukazuje jednak hloubku kolem 1mm a pozvolný přechod do  základního materiálu, zajímavá je ale i vlastní tvrdost kolem 900 HV. Tedy víc než po povrchovém kalení, kde bývá kolem 630 HV v souvislosti s obsahem uhlíku 0,45 %.
Podobné chování vykazuje i zcela jiný typ oceli - nástrojová pro práci za studena 1.2369 (81MoCrV42-16). Ta obsahuje množství karbidů, které se přetavením rozpustí a vznikne tak homogenní licí struktura. Zakalená oblast s tvrdostmi přes 750HV plynule přechází do základního materiálu, stejně jako průběh tvrdosti.

 


Alloying - legování povrchu
Při navařování vrstev používáme drát nebo prášek, který dá povrchu požadované vlastnosti. Protože se ale většinou výrazně liší od matrice, vzniká řada problémů s trhlinami, póry a řadou dalších vad. V případě, že potřebujeme zlepšit vlastnosti pouze lokálně a nestačí k tomu pouze povrchové kalení  (třeba proto, že se jedná o ocel s nízkým obsahem uhlíku), používá se často cementace nebo nitridace v peci. Při vlastním zpracování ale dochází  k nežádoucím deformacím nebo vytvrzení v místech, kde o to ani nestojíme. Proto byl vyvíjen postup, kde se provedlo povrchové kalení pro srovnání s nitridací. Vzorek L z tvárné litiny byl tedy pouze zakalen laserovým paprskem, vzorek LN byl zakalen a následně nitridován v peci a vzorek NR byl nitridován a následně překalen laserovým paprskem. Výsledky jsou porovnány s konvenčně provedenou nitridací v peci.

 

 

Po samotném kalení bez sycení povrchu dusíkem (vzorek L) byla na povrchu tenká vrstva ledeburitických karbidů s vysokou tvrdostí 750 HV. Nitridace po zakalení (vzorek LN) vedla k nárůstu tvrdosti o dalších 100HV. Při zpracování nitridovaného a následně „kaleného" vzorku NR došlo k částečnému natavení a popraskání vrstvy. I zde je tvrdost kolem 900 HV. V přetavené oblasti nejsou nodule grafitu, došlo k jeho sublimaci a vzniku ledeburitu. V nižších partiích pak přibývá martenzit a zbytkový austenit, tvrdost klesá.
Měření zbytkových pnutí (které byly provedeny na ČVUT FJFI v Praze u prof. Ganeva) ukázala velmi jemnozrnnou strukturu. Až na výjimky se jedná o pnutí tlaková, tedy vhodná z hlediska šíření trhlin. Provedená měření tribologického chování metodou pin-on-disc ukázala, že konvenčně nitridovaný vzorek byl po srovnávacím testu nejvíce opotřebený, kalený vzorek dopadl mnohem lépe. Nitridace, ať už po nebo před kalením, životnost ještě dále zlepšila.

Závěr
Přetavení tenké vrstvy kovového povrchu přináší jemnozrnné struktury s dobrými vlastnostmi. A to i u nízkouhlíkových materiálů, jinak považovaných za nekalitelné. Jedná se přitom o velmi levný a rychlý způsob modifikace povrchu, vhodný zejména pro lokální zpracování. Bez potřeby pecí, induktorů, návarů a podobných technologií. Například přetavením povrchu litiny lze dosáhnout tvrdostí až přes 900HV.
Kombinace laserového zpracování s nitridací mírně zvyšuje tvrdost i otěruvzdornost povrchu litiny oproti samotnému kalení. V porovnání s běžnou nitridací v peci je však nárůst otěruvzdornosti velmi výrazný. Maximální tvrdosti a zbytková pnutí se nacházejí několik desetin pod povrchem, z čehož plyne vhodnost použití přídavků a následné obrobení. Vysoká tlaková pnutí mají také schopnost tlumit šíření případných povrchových trhlin. Z pohledu zlepšené životnosti je prakticky jedno, zda se nitridace provede před nebo po laserovém zpracování.

 

 

Text: Stanislav Němeček

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
6 + 5 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd