ZPRACOVÁNÍ POVRCHU OCELÍ LASEREM LASER PROCESSING OF STEELS SURFACE. Jiří Cejp Roman Švábek

Transkript

1 ABSTRAKT ZPRACOVÁNÍ POVRCHU OCELÍ LASEREM LASER PROCESSING OF STEELS SURFACE Jiří Cejp Roman Švábek ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav materiálového inženýrství Karlovo nám. 13, Praha 2, R.Svabek@rcmt.cvut.cz V práci jsou prezentovány výsledky studia struktury a mechanických vlastností povrchu vybraných materiálů po zpracování laserem. Experimenty byly provedeny na dvou typech laserů Nd: YAG laseru GSI Lumonics 701H o výkonu 550 W a výkonném (3100 W) diodovém laseru Rofin-Sinar DL031Q a byly nalezeny optimální parametry tepelného zpracování pro tři materiály-ocel X210Cr12 ( dle ČSN), ocel 90MnV8 ( dle ČSN), litina EN-GJL-200C ( dle ČSN). Tepelně zpracovány kalením byly povrchy kruhové a rovinné, které byly následně testovány z hlediska tvrdosti povrchu, průběhu mikrotvrdosti v příčných řezech, odolnosti proti opotřebení a mikrostruktury. Byly zkoušeny různé trajektorie stopy laseru na povrchu materiálu a byl rovněž zohledněn tzv. velikostní, resp. objemový faktor vzorku. Vzájemné překrývání stop má negativní vliv na tvrdost povrchu, ale efekt na odolnost proti opotřebení je pozitivní. Lepších výsledků bylo dosaženo výkonným diodovým laserem. ABSTRACT This work includes the results of the study of structure and mechanical properties on the surface selected materials after laser heat treatment. The experiments were performed on the 550 W GSI LUMONICS 701H Nd: YAG laser and on the 3100 W Rofin-Sinar DL031Q diode laser and were detected optimal parameters for three materials-x210cr12, 90MnV8 and EN-GJL-200C. Laser surface hardening was applied on two types of surfaces circular and flat and than was analyzed the hardness on of the surface, the microhardness in the depth, the wear resistance and the changes of the microstructure of the hardened materials. Various trajectories of the laser beam were used there and size factor was also taken into account. The overlapping of the hardening tracks is bad for the hardness at a depth, but the effect for the wear resistance is positive. Better results were obtained with the powerful diode laser. 1

2 1. ÚVOD Od mnohých strojírenských součástí vyžadujeme, aby měly jednak velmi tvrdý povrch, který vzdoruje opotřebení a jednak houževnaté a pevné jádro s ohledem na dynamická namáhání. Pro tyto účely se vedle chemicko-tepelného zpracování běžně užívá i povrchového kalení, nejčastěji kalení plamenem a kalení indukční. Moderní a progresivní alternativou k těmto dvěma zavedeným způsobům je kalení pomocí laserového paprsku [1,2]. Vzhledem k širokým možnostem nastavení laserového zdroje je třeba pro zaručení požadovaných vlastností zakaleného povrchu důkladného odzkoušení parametrů laseru a jejich následné optimalizace. Příspěvek hodnotí použití dvou typů laserů při tepelném zpracování vybraných materiálů, stanovuje parametry zpracování a mechanické vlastnosti povrchové vrstvy po laserovém kalení. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Materiál pro experimenty představovala jednak nástrojová, vysokolegovaná, chromová ocel X210Cr12, používaná na řezné nástroje, nástroje pro stříhání a tváření za studena a na formy a jednak nástrojová nízkolegovaná Mn-V ocel 90MnV8 pro práci za studena. Některé experimenty byly provedeny i na litině s lupínkovým grafitem EN-GJL-200C, pro aplikace na odlitky s tloušťkou stěny do 45mm. Laserové přepracování povrchů uvedených materiálů bylo provedeno na diodovém laseru typu Rofin DL 031 Q, vlnová délka emitovaného záření v rozmezí nm, výstupní výkon 3100W, frekvence 250 Hz a na pevnolátkovém laseru Nd:YAG JK701 GSI Lumonics, vlnová délka nm, výstupní výkon 550 W, energie v pulzu 0,1-70J. Mechanické vlastnosti povrchové vrstvy byly hodnoceny zkouškou tvrdosti metodou dle Vickerse za podmínek normy ČSN EN ISO na přístroji LECO M- 400 G1 a metodou Rockwella dle ČSN EN ISO Průběhy mikrotvrdostí v řezech laserových stop byly měřeny mikrotvrdoměrem Shimadzu HMV-2, dle normy ČSN EN ISO K posouzení struktury ovlivněné oblasti byly připraveny metalografické výbrusy a po naleptání byly pozorovány na světelném mikroskopu ZEISS NEOPHOT 32 a na řádkovacím elektronovém mikroskopu JEOL JSM Zkoušky opotřebení byly provedeny na dvoukotoučovém porovnávacím tribometru Amsler A135/2756 a na tribometru EDA. 3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE 3.1 Laser Nd: YAG GSI Lumonics Ocel X210Cr12 Prvním zkoumaným materiálem byla ocel X210Cr12, protože tento materiál byl již dříve laserem zpracováván a byly tedy k dispozici některé výchozí parametry. Při jejich optimalizaci byla pak jako hraniční hodnota pro zakalený materiál zvolena tvrdost 500 HV. 2

3 Parametry nastavení laseru, při jejichž použití bylo dosaženo nejlepších výsledků pro kalení oceli X210Cr12 jsou uvedeny v tab. 1 a zajišťují zakalení materiálu v šířce stopy 3,5 mm a hloubce 0,6 mm. Tvrdost na povrchu v osách stopy dosahuje HV 10 a je rozdělena do pruhů, které jsou poměrně souměrně uspořádány kolem osy stopy. V řezech kolmých na zakalenou stopy ( Obr.1 ) tvrdost sleduje tvar ovlivněné oblasti v pravidelném půlkruhu se středem na povrchu materiálu. Tabulka 1 : Optimální parametry laseru Nd: YAG GSI Lumonics 701 pro tvrdost zakalené oceli X210Cr12 Table 1 : Optimal parameters for Nd: YAG GSI Lumonics 701 laser, hardness and steel X210Cr12 S ohledem na předpokládanou aplikaci laserového zpracování pro kuličkové šrouby, byla na tomto materiálu zařazena i zkouška opotřebení, kdy u rovinných vzorků byla na povrchu navíc vyfrézovaná drážka, aby zkušební kulička dosedala na boky a simulovala provoz šroubu. U kruhových vzorků byly při kalení obvodu použity různé tvary trajektorie kalené stopy. Jedna stopa uprostřed, dvě stopy s překrytím 50%, tvar šroubovice, hadovitý tvar i jejich kombinace. Provedené zkoušky umožnily stanovit parametry laserování, při kterých bylo dosaženo nejlepší odolnosti proti opotřebení. Tabulka 2: Optimální parametry laseru Nd: YAG GSI Lumonics 701 s ohledem na opotřebení zakalené oceli X210Cr12 Table 2 : Optimal parameters for Nd: YAG GSI Lumonics 701 laser with respekt to wear resistance of steel X210Cr12 3

4 Obr.1 Profil mikrotvrdosti HV 0,3 v řezu kolmo na stopu, ocel X210Cr12, laser Nd: YAG GSI Lumonics 701 Fig. 1 Microardness profile HV 0,3 in laser hardened zone, steel X210Cr12, laser Nd: YAG GSI Lumonics Litina EN-GJL-200C Tento materiál byl doplněn do experimentálního programu dodatečně pro ověření možnosti použití laserového zpracování pro vodící plochy a lože obráběcích strojů. Vycházelo se z parametrů laserování pro ocel a postupně byla snižována rychlost posuvu. V důsledku snížení kvality povrchu při zpracování na vzduchu, bylo kalení prováděno i v ochranné atmosféře argonu. Nastavení laseru dle Tab.3 zaručuje nejvyšší hodnoty tvrdosti stopy v šířce 4 mm a hloubce 0,45 mm ( Obr.2), při podobném rozložení tvrdosti jako u oceli. Vzhledem k rozptylu tvrdosti v rozmezí HV 0,3 lze tento způsob kalení použít tam, kde nejsou velké nároky na kvalitu povrchu. Tabulka 3 : Optimální parametry laseru Nd: YAG GSI Lumonics 701 pro tvrdost zakalené litiny EN-GJL-200C Table 3 : Optimal parameters for Nd: YAG GSI Lumonics 701 laser, hardness and gray cast iron EN-GJL-200C 4

5 Obr.2 Mikrostruktura litiny EN-GJL-200C u povrchu, laser Nd: YAG GSI Lumonics 701 Fig.2 Microstructure of gray cast iron EN-GJL-200C near surface, Nd: YAG GSI Lumonics 701 laser. 3.2 Laser Rofin DL 031Q Použití zařízení Rofin DL 031Q mělo potvrdit přednosti výkonného diodového laseru před relativně slabým Nd:YAG při tepelném zpracování materiálu. Po konzultaci s výrobcem laseru byl laser nastaven do kontinuálního režimu, který je pro kalení vhodnější než režim pulzní. Šířka stopy laseru byla nejdříve nastavena na rozměr 8mm, který je dostačující pro zamýšlené průmyslové využití (kalení hran střižných nástrojů, kalení povrchů forem a vodících ploch). Během zkoušek byla stopa postupně rozšiřována zvětšováním vzdálenosti mezi ohniskem svazku a povrchem materiálu F. Při změně F je ale pro dostatečné zakalení materiálu třeba měnit rychlost přejezdu a výstupní výkon laseru. Během experimentů byly tedy měněny všechny tři výše zmíněné parametry. Počáteční výkon byl 2850 W (ponechána rezerva pro možné navyšování) při rychlosti pohybu paprsku 250 mm/min. a vzhledem k vysokému výkonu laseru byly všechny zkoušky prováděny pouze při jednom přejezdu. Zkoušena byla i ochranná atmosféra dusíku a argonu při různých tlacích, která umožnila zvyšovat výkon laseru, aniž by tím byla negativně ovlivněna jakost povrchu. Od první zkoušky (materiál byl zcela spálen) se postupovalo tak, že výkon laseru a šířka stopy byly zachovány a byla měněna rychlost posuvu. Po dosažení rychlosti posuvu 1400 mm/min byla zvětšena vzdálenost mezi objektivem laseru a obrobkem z 30 mm na 35,7 mm a později až na 74 mm nad výchozí ohniskovou délku. U zkoušek, u kterých to bylo vzhledem k výslednému stavu povrchu možné, byla okamžitě v ose stopy na několika místech měřena dosažená tvrdost povrchu v HRC. 5

6 3.2.1 Ocel X210Cr12 Při kalení plochy byla dosažena tvrdost povrchu 61,5 HRC ± 3,5 při šířce zakalené plochy 11,5 mm. V hloubce 0,25 mm je materiál ještě zakalen v šířce10 mm a zaručená dosažená hloubka zakalení je pak 1,25 mm. Při kalení hrany dopadala osa paprsku ve vzdálenosti 6 mm od kalené hrany a přímo na hranu, kde byla naměřena tvrdost 62 HRC ± 1, dopadal okraj svazku. Dosažená hloubka tvrdosti na kalené hraně je 0,9 mm. V místě osy paprsku je v hloubce 0,25 mm tvrdost 884 HV 0,3 a hloubka prokalení 0,75 mm Ocel 90MnV8 Zakalená plocha vykazovala tvrdost 61,5 HRC ± 0.5 při šířce stopy 11mm. V hloubce 0,25 mm je materiál příznivě ovlivněn v šířce 9 mm, maximální hloubka zakalení je pak minimálně 1 mm (Obr.3 ). Obr.3 Profil mikrotvrdosti HV 0,3 v řezu kolmo na stopu, ocel 90MnV8 laser Rofin DL 031Q Fig. 3 Hardness profile HV 0,3, square cut of the track, steel 90MnV8 laser Rofin DL 031Q 3.3 Porovnání povrchového zakalení oceli X210Cr12 pro oba lasery. Pro porovnání byly vzaty nejlepší dosažené výsledky tvrdosti na kolmém řezu stopy u obou laserů. 6

7 Tabulka 4: Mikrotvrdost na příčném řezu ovlivněné oblasti u oceli X210Cr12. Table 4 : Microhardness in the depth, steel X210Cr Tvrdost (HV 0,3) Diodový laser Nd:YAG laser ,1 0,25 0,5 0,75 1 1,5 2 2,5 Hloubka (mm) Obr.4 Mikrotvrdost na příčném řezu ovlivněné oblasti u oceli X210Cr12. Fig. 4 Microhardness in the depth, steel X210Cr12. Uvedená Tab.4 a graf na Obr.4. dokumentují možnosti obou zařízení při povrchovém kalení oceli X210Cr12. Podle očekávání je výhodnější pro uvedené materiály při tepelném zpracování povrchu použít diodový laser. Díky vstupnímu výkonu 3100 W je schopen bezpečně prokalit materiál do hloubky 1,5 mm při šířce stopy kolem 10mm. V případech, kdy je požadována hloubka zakalení do 0,5 mm a 7

8 není třeba šířka stopy větší jak 3,5 mm, postačí pro přepracování povrchu 500 W Nd:YAG laser. 4. ZÁVĚRY Rozsáhlý experimentální program umožnil stanovit optimální parametry nastavení dvou typů laserů pro tepelné zpracování ocelí X210Cr12, 90MnV8 a litiny EN-GJL-200C. Uvedené oceli jsou používány při výrobě forem a kuličkových šroubů, ze šedé litiny se vyrábí vodící plochy a lože obráběcích strojů. Podle očekávání je výhodnější pro uvedené materiály použít diodový laser. Díky vstupnímu výkonu 3100 W je schopen bezpečně prokalit materiál do hloubky 1,5 mm, při šířce stopy kolem 10 mm. V případech, kdy je požadována hloubka zakalení do 0,5 mm a není třeba šířka stopy větší jak 3,5 mm, postačí pro přepracování povrchu 500 W Nd:YAG laser. LITERATURA 1.ABBOUD, J., BENYOUNIS, K.,OLABI, A. G. Laser Surface Treatment of Iron- Based Substrates for Automotive Application. Journal of Materials Processing Technology,2007, Vol. 182, Issues 1-3, pp SHIN,H.J., YOO, Y.T.,AHN, D.G. Laser Surface Hardening of S45C Medium Carbon Steel Usány Nd:YAG Laser. Journal of Materials Processing Technology,2007, Vol , Issues12, pp Předložené výsledky byly získány řešením projektu MSM