TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ A POVLAKOVÁNÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ LASEREM HEAT TREATMENT AND COATING OF METAL MATERIALS BY LASER

Transkript

1 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ A POVLAKOVÁNÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ LASEREM HEAT TREATMENT AND COATING OF METAL MATERIALS BY LASER Roman ŠVÁBEK a, Radka BIČIŠŤOVÁ a, Jiří DUNOVSKÝ b a ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii, Horská 3, Praha 2, Česká republika, r.svabek@rcmt.cvut.cz b ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie, Technická 4, Praha 6, Česká republika, jiri.dunovsky@fs.cvut.cz Abstrakt V práci jsou prezentovány možnosti laserového paprsku při povrchových úpravách kovových materiálů. V první části jsou ukázány výsledky zkoušek tepelného zpracování ocelí ( dle ČSN) a ( dle ČSN) pomocí 550 W Nd:YAG laseru. Pro dosažení optimálních pracovních podmínek během procesu byla použita termovizní kamera. Kvalita tepelně zpracovaného materiálu byla posuzována na základě výsledků zkoušek měření průběhu mikrotvrdosti v příčných řezech, odolnosti proti opotřebení a mikrostrukturních přeměn. Zkoumán byl také vliv laserového svazku na mechanické vlastnosti hliníkové slitiny AlCu4Mg1. V první sérii experimentů byl pro tepelné zpracování použit pevnolátkový Nd:YAG laser o maximálním výstupním výkonu 550 W. Protože se tento postup neosvědčil, bylo pro další experimeny použito pevnolátkového Nd:YAG laseru o nejvyšším výstupním výkonu 50 W. Tímto laserem bylo ve všech případech (zdrsnění povrchu, leštění povrchu, bodová textura a gravírování) docíleno přetavení povrchu. Mechanické vlastnosti materiálu byly před i po tepelném zpracování ověřeny pomocí statických zkoušek tahem a zkoušek únavových vlastností. Další z možností splnění protichůdných požadavků na materiál (např. tvrdost x houževnatost) je modifikace vlastností původního materiálu ve specifických místech navařením jiného vhodnějšího materiálu. Toho lze využít i opakovaně při renovaci součásti. Použití laserového paprsku přináší pro navařování specifické výhody zvláště při použití vysoce legovaných návarových materiálů. Výborné vlastnosti výsledného laserového návaru předurčují tuto metodu pro náročné aplikace, tedy tvářecí a lisovací nástroje a formy. V práci jsou ukázány výsledky porovnání vlastností návarových materiálů od různých výrobců. Klíčová slova: laser, tepelné zpracování, tvrdonávary Abstract This work includes the possibilities of laser surface engineering. In the first part are presented the results of experiments which were performed on the and steels with a 550 W Nd:YAG laser. To obtain the optimal laser parametrs during the process was a infrared camera used. The microhardness in the depth, the wear resistance and the changes in the micrstructure were analyzed. Below these results of the laser hardening is in the work presented the influence of the laser beam on the strenght and on the material fatigue of the AlCu4Mg1 aluminium alloy. In the first series of experiments was used a 550 W Nd:YAG laser. For the reasons of bad results were the next experiment series on a 50 W Nd:YAG laser, which remelted the material surface in all cases (surface roughage, surface polishing, point texture and engraving). The next possibility how to improve the material surface parameters is the laser coating of hardfacing layers by laser. Usually are the reqiurements on mechanical properties (hardness) in contravention to other mechanical property (toughness). To oblige the various conditions is the modification of the base material with the coating of the additional material used. The usage of the laser beam brings advantages especially in the case of use of the alloyed coating metals. Very good properties of the laser weld deposit predestines this 1

2 method for usage in ambitious applications, for example formers, dies or injection moulds. The work includes a comparison of properties of hard-surface materials from various producers. Keywords: laser, heat treatment, hard facing 1. ÚVOD Pro náročné požadavky hledá strojírenská technologie různé možnosti realizace. Jednou z moderních technologií, jež umožňuje splnění těchto náročných požadavků, kladených na strojní součásti, je využití laserových technologií. Cílem našeho výzkumu bylo rozšíření výsledků zkoušek kalení konstrukčních a nástrojových ocelí, které byly provedeny v minulých letech, o měření teplot termovizní kamerou. Pomocí termovizní kamery byly měřeny teploty procesu tepelného zpracování laserem. Ty byly později porovnány s tabulkovými hodnotami. S ohledem na tuto skutečnost byly následně upraveny parametry procesu. Výsledky byly ověřeny pomocí naměřených průběhů tvrdostí v příčných řezech kalenými materiály, metalografických zkoušek a odolností proti opotřebení. V rámci výzkumu byly provedeny zkoušky tepelného zpracování neželezných kovů- hliníkové slitiny AlCu4Mg1. Jako ukazatel efektivity tepelného zpracování laserem sloužilo zvýšení meze pevnosti tohoto materiálu. V první sérii experimentů byl pro tepelné zpracování použit pevnolátkový Nd:YAG laser o maximálním výstupním výkonu 550 W. Protože se tento postup neosvědčil, bylo pro další experimenty použito pevnolátkového laseru o nejvyšším výstupním výkonu 50 W. Tímto laserem bylo ve všech případech docíleno přetavení povrchu, které vedlo k nárůstu meze pevnosti materiálu. Ta byla pro všechny vzorky ověřena při statické zkoušce tahem. Ve spolupráci se společností Aero Vodochody a.s. byly provedeny zkoušky únavových vlastností tohoto materiálu. Další možností, která zlepšuje vlastnosti základního materiálu, je vytvoření ochranné vrstvy z návarového materiálu. Podmínkou použití součástek s návarovou vrstvou je vytvoření pevného spojení mezi navařovaným a základním materiálem. Použití laserového paprsku přináší pro navařování specifické výhody zvláště v případech navařování na vysoce legované materiály a také při použití vysoce legovaných návarových materiálů. Vlastnosti laserového navařování předurčují tuto metodu pro náročné aplikace, např. pro tvářecí, lisovací nástroje a formy. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Materiál pro experimenty tepelného zpracování představovala jednak Si - Cr ocel na pružiny , používaná např. pro výrobu kuličkových šroubů, tak nástrojová, vysokolegovaná, chromová ocel , jenž je aplikována na výrobu na řezných nástrojů, nástrojů pro stříhání a tváření za studena a na formy. Experimenty byly provedeny také na hliníkové slitině AlCu4Mg1, používané v leteckém průmyslu. Jako návarové materiály byly vybrány práškové materiály na bázi Ni. Jednotlivé materiály mají odlišné chemické složení, mají však sloužit hlavně jako ochrana proti otěru. Jednalo se o tři prásky od různých výrobců: materiál (výrobce Castolin Eutectic), materiál HA8 (výrobce UTP) a materiál K60 (výrobce ZVL Dolní Kubín). Jako podkladové materiály byly vybrány opět oceli a Laserové zpracování povrchů uvedených materiálů bylo provedeno na pevnolátkovém laseru Nd:YAG JK701 GSI Lumonics, maximální výstupní výkon 550 W, pro tepelné zpracování hliníkové slitiny byl použit také pevnolátkový laser Nd:YAG LD 50 S o maximálním výkonu 50 W. Během experimentů byla měřena teplota procesu pomocí termovizní kamery FLIR ThermaCam PM675. Mechanické vlastnosti materiálů byly hodnoceny zkouškou tvrdosti při nízkém zatížení na mikrotvrdoměru 2

3 Shimadzu HMV-2, statickou zkouškou tahem na zařízení WPM, zkouškou únavy na stroji Amsler a zkouškou odolnosti proti opotřebení vlečným třením na lineárním tribometru EDA. K posouzení struktury ovlivněné oblasti byly připraveny metalografické výbrusy a po naleptání byly pozorovány na světelném mikroskopu ZEISS NEOPHOT VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE 3.1 Ocel Při tepelném zpracování byly pro každý vzorek nastaveny jiné parametry procesu. Vzorky nebyly před zahájením ozařování laserem nijak tepelně ovlivněny. Při zkoušce byla použita termokamera, která snímala průběh teplot. Díky tomu bylo možno zjistit teplotu povrchu v oblasti interakce s materiálem a tepelné ovlivnění okolí. Pro další experimenty byly vybrány různé vzorky podle teploty dosažené během procesu. Důvodem zvolení těchto vzorků bylo porovnání dosažené teploty s tabulkovými hodnotami kalicích teplot a rozdílné nastavení posuvu laseru. Naměřené teploty se pohybovaly v rozmezí C, přičemž tabulková hodnota teploty pro kalení oceli odpovídá C. Při měření průběhu mikrotvrdosti v příčném řezu tepelně zpracovaného materiálu bylo zjištěno, že hloubka prokalení dosahuje v případě nastavení optimálních parametrů procesu cca. 0,8 mm v ose stopy. Obr. 1. Profil mikrotvrdosti HV 0,3 v řezu kolmo na stopu - ocel Fig. 1. Microardness profile HV 0,3 in laser hardened zone steel Přechod struktury mezi základním materiálem, tepelně ovlivněnou oblastí a zakalenou vrstvou znázorňuje obr. 2. Obr. 2. Mikrostruktura u povrchu - ocel Fig. 2. Microstructure near surface steel Při zkouškách odolnosti proti opotřebení vlečným třením bylo zjištěno, že laserem zakalený materiál vykazuje výsledky plně srovnatelné s referenčním materiálem (ocel kalená ve vakuové peci). 3.2 Ocel Na každém vzorku z nástrojové oceli byly vytvořeny dvě stopy. Pro každý vzorek byly nastaveny jiné parametry laseru - lišily se v poloze zaostření a v hodnotách posuvu. Vzorky nebyly před zahájením procesu zahřáty ani jinak tepelně ovlivněny. Také v případě těchto zkoušek byla použita termokamera pro snímání celého průběhu kalení (obr. 3.). 3

4 Obr. 3. Ukázka měření teploty procesu termovizní kamerou Fig. 3. Illustration of temperature measuring with a thermal camera Pro další experimenty byly vybrány různé vzorky podle teploty dosažené během procesu. Důvodem zvolení těchto vzorků bylo porovnání dosažené teploty s tabulkovými hodnotami kalicích teplot a rozdílné nastavení posuvu laseru. Naměřené teploty se pohybovaly v rozmezí C, přičemž tabulková hodnota teploty pro kalení oceli odpovídá C. Při měření průběhu tvrdosti při nízkém zatížení v příčném řezu tepelně zpracovaného materiálu bylo zjištěno, že hloubka prokalení dosahuje v případě nastavení optimálních parametrů procesu stejně jako v předchozím případě cca. 0,8 mm v ose stopy. Obr. 4. Profil mikrotvrdosti HV 0,3 v řezu kolmo na stopu - ocel Fig. 4. Microardness profile HV 0,3 in laser hardened zone steel Přechod struktury mezi základním materiálem, tepelně ovlivněnou oblastí a zakalenou vrstvou znázorňuje obr. 5. Obr. 5. Mikrostruktura u povrchu - ocel Fig. 5. Microstructure near surface steel 3.3 Hliníková slitina AlCu4Mg1 Pro tepelné zpracování vzorků z hliníkové slitiny AlCu4Mg1byl nejprve použit laser GSI Lumonics. Z důvodu nepřesvědčivých výsledků byly pro další testy zvoleny úpravy povrchu na laseru LD S 50. Při těchto zkouškách bylo použito modifikací povrchu leštění, zdrsnění, bodové textury a gravírování, viz. obr. 6. 4

5 Obr. 6. Modifikace zkušebního vzorku z materiálu AlCu4Mg1 bodovou texturou Fig. 6. Surface modification of a AlCu4Mg1 specimen - point texture U vzorků z hliníkové slitiny AlCu4Mg1 byly provedeny statické zkoušky tahem. Díky nim byl zjištěn efekt provedených úprav na jejich povrchu. Pro porovnání byly otestovány také vzorky bez povrchové úpravy. Vzorky byly tepelně modifikovány jak na laseru GSI Lumonics, tak pomocí laseru LD 50 S. Zpracování laserem ale nemá na hodnotu Rm výrazný vliv - u nejlepšího vzorku došlo k nárůstu hodnoty Rm o cca. 5%. Z důvodu ověření dynamických vlastností byly u hliníkové slitiny AlCu4Mg1 provedeny zkoušky únavy materiálu. U nejlepšího vzorku bylo dosaženo zlepšení únavové pevnosti o 60 % oproti základnímu materiálu. 3.4 Navařování prášků na podkladové materiály Pro zkoušku navařování prášků byla využita koaxiální navařovací hlava konstruovaná ve VCSVTT. Prášek je od rotačního podavače prášku unášen plynem do navařovací hlavy. V navařovací hlavě dochází k ohřevu a k tavení jemnozrnného prášku. Zrna jsou dále unášena argonem a na povrchu navařované součásti rychle tuhnou. Proces navařování je možno vidět na obr. 7. Obr. 7. Schema procesu navařování Fig. 7. Scheme of the deposition process Pro vyhodnocení kvality vytvořených návarů byly navrženy a provedeny následující zkoušky: 1. Měření pevnosti spojení - zkouška ve střihu 2. Metalografické výbrusy 3. Měření tvrdosti 4. Měření odolnosti proti opotřebení Nejvyšší hodnoty pevnosti přechodové zóny, tedy nejlepší kvalitu metalurgického spojení návar substrát, vykazoval materiál Nejvyšší průměrná pevnost tohoto materiálu ve střihu byla zjištěna při kombinaci , kdy bylo naměřeno 246 MPa. Při navařování materiálu na ocel , byla zjištěná pevnost ve střihu pouze 70 MPa, což je dáno vysokým obsahem legur Si, které neumožňují vytvořit kvalitní tavné spojení návar - substrát. Pro materiál byla naměřena tvrdost 808 HV1, pro materiál K60 bylo naměřeno 890,5 HV1 a pro HA8 byla zjištěna hodnota 921 HV1. Při zkouškách odolnosti proti opotřebení byly u všech materiálů zjištěny velmi dobré výsledky. Celkově je nejvhodnějším kandidátem pro vytváření ochranných povlaků materiál 12496, který umožňuje vytvoření kvalitního ochranného povlaku na širokém spektru součástí. 5

6 4. ZÁVĚRY Rozsáhlý experimentální program umožnil stanovit optimální parametry nastavení dvou typů laserů pro tepelné zpracování ocelí a , hliníkové slitiny AlCu4Mg1 a navařování různých práškových materiálů. Výběr vhodného laseru záleží vždy na konkrétní aplikaci, při jeho vhodném zvolení je dosahováno velmi dobrých výsledků. Také opakovatelnost procesu byla vzhledem k počtu experimentů dostatečně ověřena. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek byl získán za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci podpory projektu výzkumu a vývoje 1M0507. LITERATURA [1] ŠVÁBEK, J.; BIČIŠŤOVÁ, R.; AMBROŽ, P. Výzkum tepelného zpracování kovových materiálů laserem. Výzkumná zpráva. Praha, VCSVTT [2] ŠVÁBEK, J.; ŘASA, J. Výzkum kalení kovových materiálů laserem. Výzkumná zpráva. Praha, VCSVTT [3] VONDROUŠ, P.; ŠVÁBEK, R.; AMBROŽ, P. Nanášení otěruvzdorných povlaků. Výzkumná zpráva. Praha, VCSVTT