VLIV PARAMETRŮ LASEROVÉHO POVRCHOVÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MIKROSTRUKTURU OCELÍ JIŘÍ HÁJEK, PAVLA KLUFOVÁ, ANTONÍN KŘÍŽ, ONDŘEJ SOUKUP ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI 1
Obsah příspěvku ÚVOD EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM POVRCHOVÉ KALENÍ S PŘEDEHŘEVEM POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ SPRÁVNÁ VOLBA ZAŘÍZENÍ ZÁVĚR 2
EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ CELAT/NTC/ZCU v Plzni 4 kw HPDD laserem Coherent ISL 4000L průmyslový robotem FANUC M-710iC/50 Paprsek vytvářen přímou transformací elektrické energie na světelnou Transformace energie je stejný jako u běžně používaných laserových diod Jednotlivé laserové diody jsou seskupeny do modulů p-n přechod tvořen polovodičovými materiály InGaAs/GaAs (záření o vlnové délce 808 nm) Gaussovsko cylindrické energetické rozložení paprsku HPDD laseru 3
METALURGIE PROCESU POVRCHOVÉHO KALENÍ V povrchové vrstvě vzniká tepelný spád - umožňuje dosáhnout kalící teploty jen do určité hloubky pod povrchem Mechanismus fázových přeměn se při vysokých rychlostech (až několik set C/s) ohřevu nemění Dosažení jemné martenzitické struktury - výchozí struktura, podmínky austenitizace Jemné a rovnoměrně rozložené karbidy = snadné rozpouštění = snadná homogenizace austenitu Zdroj energie Maximální měrný výkon [W/cm 2 ] Indukční ohřev 1.10 2 Kyslíko-acetylenový plamen 5.10 2 Laserové záření min. 1.10 8 Elektronové záření 5.10 8 4
SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM Software Deform 3D ČSN 12 050 150 x 50 x 40 Příkon zdroje tepla zvolen 1,5 kw Působení na ploše 10x6 mm rychlost pohybu laserového paprsku 40 cm/min 5
SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM Doba ohřevu neumožňuje difúzi uhlíku na větší vzdálenosti - austenit nehomogenní. Je možné i při dostatečně vysokých teplotách u normalizačně žíhaných materiálů vytvořit homogenní austenit a po ochlazení martenzit??? Při rychlosti ohřevu cca 800 C /s doba ohřevu 1s při teplotě min. 1100 C. 6
SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM Měrné výkony u vysoce výkonných průmyslových laserových zařízení = mohou být pro homogenizaci austenitu nedostačující Obvykle sledován pouze povrch. KRIZOVÁ MÍSTA JSOU ALE VE VYŠŠÍCH HLOUBKÁCH = nemusí se projevit při měření tvrdosti Vzdálenost od povrchu [mm] Dosažená teplota [ C] Předpokládaný čas austenitizace [s] 0,05 1280 0,7575 0,2 1200 0,7272 0,4 1080 0,6363 0,6 960 0,5151 7
Dosažená teplota C Rychlost ve C/s Doba austenitizace v s Příklad simulace a ověření povrchového TZ laserem oceli ČSN Doba austenitizace 12050 0,8 Sledované parametry: SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM Rychlost ohřevu Doba austenitizace Dosažená teplota 0,6 0,5 0,4 0,3 Rychlost ohřevu 0,2 0,7 800 700 600 500 400 300 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Vzdálenost pod povrchem v mm Dosažená teplota 1400 200 1200 100 1000 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 800 Vzdálenost pod povrchem v mm 600 400 200 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Vzdálenost pod povrchem v mm 8
SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM Hlavní problematika povrchového kalení vysoce výkonnými průmyslovými lasery - markantní pokles rychlosti ohřevu ve vrstvách pod povrchem ve vzdálenosti 0,5 mm je hodnota téměř poloviční oproti samotnému povrchu. Dosažená teplota, která je ve vzdálenosti 0,5 mm pro daný příklad o 320 C nižší než na povrchu. Vliv na difúzi při samotné austenitizaci Důležitá je tloušťka kaleného kusu 9
SIMULACE PROCESU OHŘEVU PRŮMYSLOVÝM LASEREM Nedokonalá austenitizace Lokální zvýšení obsahu uhlíku - 0,75% Rozdíl v mikrotvrdosti až 150 HV0,025 10
POVRCHOVÉ KALENÍ S PŘEDEHŘEVEM Technicky nejjednodušší - předehřívat součást v peci Rychlost ohřevu Dosažení správné austenitizační teploty T A3, Dostatečná prodleva na austenitizační teplotě t A Možnost volby struktury Nižší pnutí Jiné možnosti...dvě laserové hlavy 11
POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ Složitější než v případě ocelí konstrukčních Nástrojové oceli - choulostivé na správné dodržení teploty austenitzace (úzké rozmezí) Při nižších teplotách a kratších časech austenitizace nebude rozpuštěno dostatečné množství karbidů a tvrdost austenitické matrice bude nízká Při vyšších teplotách se rozpustí příliš mnoho karbidů v austenitické matrici nakonec zůstane i velké množství zbytkového austenitu v kalené struktuře 12
POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ Pokud ohřev do oblasti taveniny (kalení s přetavením) dochází k dalším problematickým jevům. Segregace legujících prvků. Uhlík, chorm a další legury jsou rozmístěny v mezidendritických polohách Prakticky minimálně používaná varianta Výchozí struktura obvykle globulární perlit nejméně vhodné Hledisko finální vlastností měkké jádro Hledisko kinetiky přeměny 13
POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ ÚČEL P.K. nástrojových ocelí (teoreticky) 1) vytvoření amorfní vrstvičky N.O. nízká vodivost neumožní dostatečně rychlé ochlazení (není vytvořen dostatečný teplotní spád) Na povrchu dochází k natavení, zhoršení kvality povrchu a vytvoření dendritů. Tloušťka této oblasti bude závislá na konkrétních podmínkách příslušného procesu. Mnohem problematičtější je vytvoření této amorfní vrstvičky na hranách součástí, kde je odvod tepla mnohem nižší 14
POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ Povrch po l. k. oceli 19573 2) Jemná martenzitická struktura Podobné jako konstrukční oceli. Navíc bude zvyšování rozdílů (ve srovnání s ocelí ČSN 12050) v dosažené teplotě a rychlosti ohřevu v místě na povrchu vzorku a v místech hlouběji pod povrchem Ačkoliv dochází na povrchu k natavení- cca 100mm pod povrchem nedojde k austenitizaci V těchto místech sice dochází k redistribuci uhlíku, nicméně nevytváří se homogenní austenitická struktura. Přechodová oblast po l. k. oceli 19573 Jádro po l. k. oceli 19573 15
POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ U ocelí ČSN 19573 resp. 19802 není možné některými laserovými zařízeními docílit martenzitické struktury bez vysoké hloubky přetavení (nutné přídavky na obrábění pnutí a tvorba trhlin), pokud je výchozí strukturou globulární perlit Experiment proveden v celém rozsahu výkonů a rychlostí, které laser umožňuje Tvorba amorfní vrstvičky je v těchto případech nemožná 16
POVRCHOVÉ KALENÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ Povrchové kalení oceli 19313 je bezproblémové v celém rozsahu výkonů (výchozí struktura globulární perlit). Důvodem je vyšší difúzní rychlost Hloubka prokalení odpovídá standardnímu vzorci 17
PRO POVRCHOVÉ KALENÍ JE DŮLEŽITÁ SPRÁVNÁ VOLBA ZAŘÍZENÍ Hustota tepelného toku Z povrchového zdroje závisí na celkovém výkonu zařízení, součiniteli absorpce a na poloměru ozářené oblasti podle vztahu: A Pz q r Výraznou charakteristikou povrchového zdroje je jeho ustálená teplota, pro kterou platí q 2 r 2 q W / m T s r s 18
PRO POVRCHOVÉ KALENÍ JE DŮLEŽITÁ SPRÁVNÁ VOLBA ZAŘÍZENÍ Teplotní gradient je definován vztahem T r Pro daný materiál závisí teplotní gradient na hustotě tepelného toku a je velký při tvrdém ohřevu a malý při měkkém ohřevu. Obvykle v konstrukční oceli bývá řádově až 0,84 0,25 r 10 5 K / s mm T s 0,59 q Časová závislost teploty ve středu r=0 a na okraji r=rs) ohraničeného povrchového zdroje Radiální rozložení teploty při různé hustotě tepelného toku 19
ZÁVĚR ZÁKLADEM JE SPRÁVNÁ VOLBA PŘI NÁKUPU ZAŘÍZENÍ Simulace poukázaly na problém, který vzniká při laserovém kalení HPDD laserem při austenitizaci. V mnoha případech je nemožné docílit austenitizace ze stavu normalizačně žíhaného navíc bez natavení povrchu. Rychlost ohřevu může být až poloviční při srovnání oblastí na povrchu a cca 0,5mm pod povrchem. Dosahovaná doba austenitizace je u použitých typů průmyslových laserů v mnoha případech nedostačující Dobu austenitizace je možné prodloužit předehřevem. Teplota předehřevu se může lišit v závislosti na požadované tvrdosti a na požadované době austenitizace. 20
ZÁVĚR Během prováděných experimentů pomocí vysoce výkonného HPDD laseru nástrojových ocelí (ČSN 19573 a ČSN 19802) se nepodařilo vytvořit martenzitickou strukturu z výchozího stavu žíhaného na měkko Rozdíly mezi rychlostí ohřevu se při laserovém kalení nástrojových ocelí ještě zvyšují, dochází často k tavení povrchové vrstvičky Doposud se nepodařilo vytvořit funkční amorfní vrstvičku na povrchu nástrojové oceli tímto typem laseru. Vytvořit tuto vrstvičku na hraně nástroje je z důvodu nízkého odvodu tepla na hraně velmi problematické 21
Děkuji za pozornost 22