LASEROVÉ KALENÍ FOREM A NÁSTROJŮ LASER HARDENING OF MOULDS AND TOOLS Stanislav NĚMEČEK, Michal MÍŠEK MATEX PM s.r.o., Morseova 5, 301 00 Plzeň, Česká Republika, nemecek@matexpm.com Abstrakt Příspěvek se zabývá možnostmi zlepšování vlastností a životnosti forem pro vstřikování plastů, stříhání textilií a lisování plechů pro automobilový průmysl pomocí lokálního transformačního vytvrzování laserem. Jsou porovnány výsledky pro různé typy slitin, od konstrukčních ocelí přes nástrojové až po kalení litin s perlitickou matricí, kde tvrdost dosahuje až 66HRC. Klíčová slova: laser, vytvrzování povrchu, formy, lokální kalení, životnost 1. ÚVOD Karoserii osobního vozu tvoří asi 300 dílů, což představuje kolem 750 forem či zápustek. Při roční výrobě asi 120 nových modelů tak vzniká potřeba přibližně 90000 forem s výrobními náklady okolo 12 miliardami Euro. Nepočítaje v to ovšem další díly interieru, motoru atd. Nástrojárny jsou často nuceny ke snižování nákladů a zvyšování životnosti drahých nástrojů obvykle kolem 40 tisíc kusů. Jednou z cest je zvýšení tvrdosti, lépe řečeno otěruvzdornosti v nejvíce namáhaných místech. Moderním a nejméně nákladným způsobem je zvýšení tvrdosti laserovým paprskem. Firma MATEX PM je jediné komerční pracoviště v ČR, kde jsou služby kalení laserovým paprskem poskytovány širokému spektru průmyslových klientů. 2. MATERIÁLOVÉ ASPEKTY Laserové kalení je ve své základní podstatě opakující se cyklus rychlého ohřevu a následného prudkého ochlazování kritickou rychlostí nutnou ke vzniku zákalné struktury. Teploty používané při povrchovém kalení laserem jsou podstatně vyšší než při běžném tepelném zpracování. Některé legované oceli dokonce vyžadují teploty blízké oblasti tavení. V zásadě je možno použít laserové kalení na všechny běžně používané typy ocelí a litin. U ocelí je dosažená tvrdost nejvíce ovlivňována obsahem uhlíku. S jeho zvyšujícím se obsahem rostou i dosahované hodnoty tvrdosti až na 700HV při obsahu uhlíku 0,75 %. U litin je hlavním parametrem ovlivňujícím výslednou tvrdost množství perlitu v základní matrici, především jeho rovnoměrné rozložení. Ve firmě MATEX PM jsou běžně zpracovávány konstrukční oceli se středním obsahem uhlíku (např. 1.0503, 1.0535), nízko a středně legované oceli pro více namáhané strojní díly (např. 1.7225, 1.6582) a všechny typy nástrojových ocelí (např. 1.2311, 1.2333, 1.2379, 1.2842). Samozřejmostí je laserové kalení cementačních ocelí (např. 1.7131). Ve zvláštních případech lze zakalit i části svařenců z materiálů s velmi nízkým obsahem uhlíku (např. 1.0570). U těchto materiálů lze dosáhnout díky přednostem laserového kalení hodnot kolem 40 HRC. Je možno zpracovat i materiály s malým obsahem uhlíku (0,1 0,25 %) a velkým obsahem legujících prvků jako jsou chróm a nikl (např. 1.4021). Firma MATEX PM má zkušenosti s laserový kalením materiálů nové generace pro konstrukci forem (např. Toolox 44, Superplast 350). Značnou část objemu tvoří díly z litých ocelí (např. 422660, 422719) a litin (např. GGG 40, GGG 70). Díky on-line regulaci teploty pomocí pyrometru integrovaného přímo v optice, je možné řídit hloubku prokalení a výslednou tvrdost.
2.1 ROZDÍL MEZI PLAMENEM, INDUKCÍ A LASEREM Při kalení plamenem je hloubka ohřevu dána relativní rychlostí pohybu plamene po povrchu. Přenos tepla do materiálu má však malou účinnost a navíc se ohřívá i okolní povrch. Tím roste doba potřebná pro austenitizaci, hrubne zrno, může dojít ke spálení hranic zrn. Na povrchu roste oxidická vrstva. O rovnoměrnosti nebo regulaci teploty nemůže být řeč. Při indukčním kalení je generované teplo závislé na odporu a proudu. Hloubka ohřevu závisí na frekvenci. Čím nižší frekvence, tím menší hloubka prokalení. Vysokofrekvenční ohřev i tak trvá řádově několik vteřin, velikost a tvar induktoru závisí na kalené ploše. A vyrobit vhodný induktor něco stojí. Dosud byla řeč o ohřevu. U obou popsaných případů musí následovat dostatečně rychlé ochlazení, obvykle prováděné vodní sprchou (nebo polymerním roztokem). Vždy existuje nebezpečí vzniku páry a parního polštáře, který neodvede teplo dostatečně a povrch nevytvrdne. Navíc je potřeba vodní hospodářství, odsávání par atd. Podobně jako u svarů existuje pod kalenou vrstvou přechodová zóna, kde teplota nebyla dostatečná pro kalení ale na druhou stranu ovlivnila matrici základního materiálu. Naneštěstí jsou tyto změny většinou k horšímu. Hloubka kalení však může dosahovat až 10 mm. Laser je zdroj vysoce energetického záření, které může sloužit k ohřevu nebo i natavení povrchu. Fyzikálně vzato, je to dáno interakcí fotonů laserového paprsku s elektronovou strukturou materiálu. Jedná se o rychlý děj, probíhající do vteřiny od osvícení. I zde je třeba dosáhnou teploty austenitizace povrchové vrstvy, přechodová oblast prakticky neexistuje. Jak poznáme dále, je to jeden z důvodů minimalizace deformací. Rozdíl je i v odvodu tepla nastává tzv. samokalením. Není třeba povrch chladit zvenku přiváděnou kapalinou (konvekcí), protože matrice uvnitř zůstala studená a odvod tepla vedením je dostatečný. Dá se tedy předpokládat, že transformace začíná probíhat zevnitř materiálu a vnější povrch chladne naposled. Podobný efekt nastává při cementaci díky koncentračnímu gradientu uhlíku. Na cementovaném povrchu je vyšší obsah uhlíku a tedy lokálně nižší teplota Ms. Obsah uhlíku od povrchu do matrice klesá a tím naopak teplota počátku martenzitické transformace stoupá. Výsledkem jsou tlaková pnutí na povrchu, která brání rozevírání a šíření trhliny. A proto mají cementované vrstvy lepší únavovou životnost než indukčně kalené vrstvy. Laserové kalení bude v tomto případě ležet někde mezi, ale příslušné experimenty dosud nebyly zveřejněny. Limitujícím faktorem se stává tloušťka stěny kalené součásti pomůcka říká, že stěna by měla být alespoň 10x silnější než kalená hloubka. Nic není ztraceno - drobné díly je možné přichladit proudem vzduchu nebo ochlazením do nádrže s chladícím médiem. Druhým limitujícím parametrem je maximální hloubka prokalení cca 2 mm v závislosti na vodivosti materiálu. Tuto hranici nelze obejít ani výkonějším laserem, ani pomalejším pohybem paprsku. Velkou pomocí je ale hybridní kalení kombinace laserového paprsku zároveň s induktorem. Jedná se o poslední novinku v oblasti povrchového kalení a jen velmi málo firem na světě ji zatím používá. 2.2 VELIKOST ZRNA A VZNIK TRHLIN Rychlý ohřev má příznivý i nepříznivý důsledek. Především vyšší rychlosti posouvají transformační teploty k vyšším hodnotám. Proto pro kalení laserem neplatí běžné diagramy tepelného zpracování a kalící teploty jsou střeženým know-how jednotlivých firem. U prokalitelnosti platí, že čím větší je zrno, tím lepší je vytvrditelnost. Zvětšení zrna z 0,02 na 0,12mm zlepší prokalitelnost asi o 50% [1]. Při rychlém ohřevu ale není struktura dostatečně homogenizována, rozpuštěný uhlík se nedostane do středu původních feritických zrn a důsledkem jsou rozkolísané hodnoty tvrdosti. To může působit problémy třeba u masivních odlitků forem a strojních dílů. Pozitivní je rychlost naopak pro zachování jemnozrnnosti, obzvláště u vysokouhlíkových a vysoce legovaných materiálů. Z jemných austenitických zrn vzniká jemnozrnný martenzit, který je méně náchylný ke vzniku a následnému šíření trhlin. A také tvrdší v porovnání např. s objemovým kalením, mluví se o tzv. supertvrdosti.
2.3 VLIV VÝCHOZÍ STRUKTURY Výchozí struktura je dalším faktorem s dopadem na prokalitelnost oceli [2]. O velikosti zrna je pojednáno výše. Podobně je to s velikostí karbidů větší karbid potřebuje delší dobu pro rozpouštění. V případě, že se nerozpustí, nemá matrice dostatek uhlíku a kalíme vlastně nízkouhlíkovou matrici. U nástrojových ocelí s primárními karbidy je potřeba volit jiné parametry kalení než u konstrukčních ocelí s jemně precipitujícími karbidy. Názorným příkladem jsou oceli často používané oceli 1.2311 a 1.2379, obr. 2. Z toho plyne, že je musí být při kalení rozlišováno, zda jde o součást litou (tedy pravděpodobně hrubozrnnou) nebo tvářenou (jemmnozrnější). Musí být zohledněno, jaké prodělala tepelné zpracování. Pomalu transformující rovnovážné struktury mají karbidy větší, jejich rozpouštění bude trvat déle. Normalizovaná ocel bude mít cementit sferoidizovaný. Naopak zušlechtěné materiály martenzitické nebo bainitické mají karbidy velmi jemné a snadněji rozpustitelné. Rozdíl v transformační teplotě Ac3 je také rozdílný. U žíhaných materiálů může být i o 200 C vyšší než u kalených. Výchozí stav ovlivňuje i hloubku prokalení (při jinak shodných parametrech kalení) a to v řádech několika desetin milimetru. Pomalu chlazené oceli v peci jsou po indukčním kalení prokalené do menší hloubky než stejné vzorky před indukcí ochlazené do vody [2]. 3 PRAKTICKÉ ZKUŠENOSTI 3.1 LASEROVÉ KALENÍ FOREM A NÁSTROJŮ Laserové kalení forem a nástrojů patří mezi nejčastější případy. Patří mezi ně nástroje na ostřihování plechů a textilií do automobilů (obr. 1), formy na výlisky z plechů (obr. 2) nebo vstřikování plastů (obr. 3), kalení pinčovacích hran (obr. 4), dělících ploch forem aj. Výhodou je možnost přesného lokálního kalení a velmi nízká oxidace povrchu. Díky tomu lze laserové kalení zařadit jako finální operaci v technologickém postupu, bez nutnosti dodatečného broušení zakalených míst. Je možno povrchově zakalit malé segmenty, vložky i několikatunové formy velkých rozměrů. Obr.1 Zakalené střižné hrany nástrojů Fig. 1 Hardened cutting edges of tools Obr. 2 Litinová forma na lisování plechů Fig. 2 Cast die for sheet forming
Obr.3 Formy na vstřikování plastů Fig. 3 Plast injection moulds Obr.4 Kalení pinčovacích hran Fig. 4 Trimming edges hardening 3.2 LASEROVÉ KALENÍ OZUBENÝCH KOL Ozubená kola, tyče nebo pastorky patří většinou mezi velmi namáhané strojní součásti. Z tohoto důvodu se proto pro zvýšení jejich životnosti používá povrchové kalení. Při použití laserového kalení odpadá nutnost výroby speciálního induktoru. Bez větších problémů lze zakalit libovolný tvar a modul zubu, jak na vnějším, tak na vnitřním ozubení. Za pomoci přídavného otočného stolu se dají laserově zakalit ozubená kola o velikosti několika centimetrů až po kola o průměru několika metrů, sestavené z více segmentů. Zakalená vrstva není náchylná na vznik povrchových trhlin a tepelné zatížení okolního materiálu je velmi nízké. Obr.5 Zakalené ozubené kolo Fig.5 Hardened gear Obr.6 Kalení vnitřního ozubení Fig.6 Internal teeth hardening
Obr.7 Kalení velkých průměrů Fig. 7 Large diameters hardening Obr.8 Ozubená kola malých rozměrů Fig. 8 Small sized gear wheel 3.3 LASEROVÉ KALENÍ HŘÍDELÍ A ČEPŮ Materiál hřídelí se volí podle velikosti a charakteru provozního zatížení (statické, rázové, střídavé), opotřebitelnosti, možnosti tepelného zpracování atd. Ve společnosti MATEX PM se běžně laserově kalí hřídele a čepy z materiálů 1.0503, 1.6582, 1.1221, 1.4021, 1.5122, 1.6511, 1.7131 nebo 1.7561. U těchto dílů lze zakalení provést podélně nebo po obvodu (obr. 9) dle požadavků zákazníka. Jako u ostatních výše uvedených příkladů se laserově kalí jak malé čepy, tak několikametrové hřídele (obr. 10). Deformace po zakalení jsou minimální i u velmi dlouhých dílů a proto není nutné dodatečné rovnání a broušení. Z tohoto důvodu není potřeba dosahovat takových hloubek prokalení jako u indukčního kalení. Obr.9 Čepy Fig. 9 Necks Obr.10 Kalení hřídelí velkých průměrů Fig. 10 Large diameter shafts hardening 3.4 LASEROVÉ KALENÍ STROJNÍCH DÍLŮ A DÍLŮ PRO ENERGETIKU K dalším příkladům patří laserové kalení dílů pro obráběcí stroje (lože, čelisti, smykadla) (obr. 11) nebo kalení funkčních ploch nástrojů pro ohraňování. Časté je také zpracování lanovic (obr. 12), objímek nebo vodících lišt. V energetice to jsou především lopatky parních turbín, kde se díky zakalení náběžné hrany zvyšuje odolnost proti kavitačním účinkům kondenzované páry.
Obr.11 Díl obráběcího stroje Fig. 11 Part of machine tool Obr.12 Lanovnice Fig. 12 Cable wheel ZÁVĚR Uvedené rozdíly mají dalekosáhlé praktické důsledky. Ukazuje se, že laserem zakalené vrstvy mají některé vlastnosti přeci jen odlišné. Tvrdost mezi ně nepatří, ale třeba tribologické, únavové nebo korozní vlastnosti ano. Rozdíl mezi konvenčními metodami povrchového kalení je jak v ohřevu, tak i ve způsobu ochlazování. Ohřev laserem je výrazně intenzivnější, což se projevuje především v jemnozrnnosti výsledné martenzitické struktury a minimalizaci přechodové oblasti. Ochlazování laserem kalených dílů odvodem tepla do matrice vytváří příznivější teplotní gradient. Neochlazujeme nejteplejší povrch, ale chladíme od nejchladnějšího místa austenitizované oblasti. Důsledkem jsou menší deformace a omezení vzniku povrchových trhlin ve srovnání z běžně používanými způsoby povrchového kalení. Příspěvek vznikl za podpory MPO FR TI3/814 s názvem: Optimalizace laserového povrchového zpracování strojních součástí pro zvýšení jejich užitných vlastností. LITERATURA [1.] Hoffmann, P., Dierken, R., Temperature controlled hardening of single part tools for automotive industry with high power diode laser systems, Conference on Lasers in Manufacturing 2003, Munich. [2.] www.matexpm.com