Západočeská univerzita v Plzni fakulta Strojní 23. dny tepelného zpracování s mezinárodní účastí Návrh technologie laserového povrchového kalení oceli C45 Autor: Klufová Pavla, Ing. Kříž Antonín, Doc. Dr. Ing. Hájek Jiří, Ing, Ph. D. Soukup Ondřej, Ing. 23.-25.11.2010
Důvody řešení a cíle diplomové práce Důvod řešení diplomové práce Spolupráce s NTC HPDD laser Povrchová tvrdost X mikrostruktura Ocel ČSN 41 2050 ZCU/NTC/CELAT Cíle diplomové práce Vliv procesních parametrů na mikrostrukturu Optimální procesní parametry pro ocel ČSN 41 2050 Výchozí struktura Page 2/19
Osnova prezentace 1) HPDD laser 2) Parametry laserového povrchového kalení 3) Experimentální materiál 4) Experiment č. 1 5) Experiment č. 2 6) Závěr Page 3/19
HPDD (High Power Direct Diode) laser Coherent ISL-4000L Výhody procesu laserového povrchového kalení Bez použití chladícího média Minimální přítomnost napětí a trhlin Vysoká absorpce záření vysoce efektivní proces Minimální deformace Bez nutnosti následného obrábění Umožňuje tepelné zpracování tvarově složitých součástí Technologie předurčená k automatizaci > snižování nákladů při opakované výrobě Page 4/19
Parametry laserového povrchového kalení Procesní parametry - ovlivňují výslednou kvalitu a efektivitu tepelného zpracování Výstupní výkon Hustota výkonu ve fokusační vzdálenosti Vlnová délka Energetické rozložení Procesní rychlost Morfologie drsnost povrchu Čistota, homogenita materiálu, výchozí struktura Materiálové vlastnosti Optické absorptivita, emisivita Tepelné tepelná a teplotní vodivost Page 5/19
Experimentální program ocel ČSN 41 2050 (AISI 1045, C45) Výchozí struktura normalizačně žíhaná Výchozí struktura sorbitická Zvětšeno 100x Zvětšeno 100x Zvětšeno 500x Zvětšeno 500x Chem. prvek C Mn Si Cr Ni Cu P S Chem. složení dle ČSN 41 2050 0,42 0,50 0,50 0,80 0,17 0,37 Max. 0,25 Max. 0,30 Max. 0,30 Max. 0,40 Max. 0,30 Chem. složení dle GD-OES 0,48 0,75 0,25 - - - - - Analýza chemického složení GD-OES Page 6/19
Optimalizace parametrů příkonu a rychlosti pohybu laserového paprsku experiment číslo 1 Ocel ČSN 41 2050 ve stavu NORMALIZAČNĚ ŽÍHANÉM Stopy byly vytvořeny konstantní rychlostí pohybu laserového paprsku; v1=200 cm/min; v2=230 cm/min; v3=260 cm/min Metalografické hodnocení a měření tvrdosti 48 kombinací procesních parametrů Laserové povrchové kalení BEZ PŘETAVENÍ Laserové povrchové kalení S PŘETAVENÍM Page 7/19
Experiment č. 1 průběh tvrdosti HV Tvrdost HV výchozího materiálu oceli ČSN 41 2050 182 HV Průběh tvrdosti HV 800 700 600 HV 500 stopa 1; v1=200 cm/min 400 stopa 2; v2=230 cm/min stopa 3; v3=260 cm/min 300 200 100 0 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 Příkon laseru [kw] Page 8/19
A=40 cm, P=2,08 kw, zvětšeno 100x D A B=100 cm, P=2,40 kw, zvětšeno 100x D=275 cm, P=4,00 kw, zvětšeno 100x C=200 cm, P=3,36 kw, zvětšeno 100x B C 9/19
C=200 cm, P=3,36 kw, v1=200 cm/min, zvětšeno 100x martenzit martenzit-troostit zvětšeno 500x martenzit-ferit 10/19
Experiment č. 1 Mikrotvrdost HV 0,025 bez přetavení povrchu, EDX analýza chemického složení 666 HV 0,025 822 HV 0,025 Martenzit, zvětšeno 500x Martenzit, zvětšeno 500x 442 HV 0,025 867 HV 0,025 Martenzit-troostit, zvětšeno 500x Martenzit-troostit, zvětšeno 500x 920 HV 0,025 261 HV 0,025 Martenzit-ferit, zvětšeno 500x Martenzit-ferit, zvětšeno 500x Page 11/19
Optimalizace parametrů příkonu a rychlosti pohybu laserového paprsku popis experimentu č. 2 Ocel ČSN 41 2050 ve stavu ZUŠLECHTĚNÉM stopy 1-6 - v=konst., P konst. Stejné procesní parametry jako experiment č. 1 Metalografické hodnocení 48 kombinací procesních parametrů Stopy vytvořené povrchovým kalením laserem na experimentálním vzorku č. 2 Page 12/19
Srovnání metalografických struktur při procesních parametrech P=2,5 kw, v=100 cm/min Ocel ČSN 41 2050 zušlechtěno Ocel ČSN 41 2050 normalizačně žíháno zvětšeno 100x martenzit martenzit sorbit martenzit zvětšeno 500x martenzit troostit martenzit ferit 13/19
Experiment č. 2 v1=100 cm/min; bez přetavení povrchu zvětšeno 100x zvětšeno 500x P=2,9kW 1008µm 743µm 838µm P=2,7kW 731µm 745µm 545µm P=2,5kW zvětšeno 100x zvětšeno 100x zvětšeno 500x zvětšeno 500x Page 14/19
0,72 mm Metalografické hodnocení vlivu zvyšujícího se příkonu laseru na tloušťku a šířku zakalené stopy, v=100 cm/min 10,01 mm 0,84 mm P=2,5 kw, zvětšeno 25x 0,85 mm P=2,7 kw, zvětšeno 25x 10,85 mm 11,42 mm P=2,9 kw, zvětšeno 25x Závislost příkonu laseru na tloušťce zakalené stopy Závislost příkonu laseru na šířce zakalené stopy 11,5 Šířka stopy [mm] Tloušťka stopy [mm] 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 2,5 2,6 2,7 2,8 Příkon laseru [kw] 2,9 3 11 10,5 10 2,5 2,6 2,7 2,8 Příkon laseru [kw] 2,9 3 15/19
Průběh mikrotvrdosti HV 0,025 (P=2,7 kw, v=100 cm/min) Průběh mikrotvrdosti HV 0,025 1000 800 600 V ose zakalené stopy 400 200 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Vzdálenost od povrchu [mm] Průběh mikrotvrdosti HV 0,025 Napříč zakalenou stopou Mikrotvrdost HV 0,025 Mikrotvrdost HV 0,025 1200 1400 1200 1000 800 600 400 200 0-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 vzdálenost od osy laseru [mm] 16/19
Závěr Byl analyzován vliv stavu tepelného zpracování výchozí struktury oceli ČSN 41 2050 na finální povrchově zakalenou strukturu Výchozí stav normalizačně žíhaný Nebylo dosaženo optimální povrchové zakalené vrstvy Struktura martenzit, martenzittroostit, martenzit-ferit Výhoda nižší náklady na materiál Nevýhoda jakost povrchové zakalené vrstvy X Výchozí stav zušlechtěný Bylo dosaženo optimální povrchové zakalené vrstvy Struktura martenzit, martenzitsorbit Výhoda jakost povrchové zakalené vrstvy Nevýhoda vyšší náklady na materiál Page 17/19
Závěr Byl analyzován vliv kombinace procesních parametrů (rychlosti pohybu laserového paprsku a příkonu laseru) na tloušťku a šířku zakalené stopy Byl analyzován vliv zvyšujícího se příkonu laseru na povrchovou tvrdost při konstantní rychlosti pohybu laserového paprsku Optimální procesní parametry pro ocel C45 v=40 cm/min; P=2,2 kw Page 18/19
Děkuji za pozornost Page 19/19