Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Výhody laserem kalených povrchů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Výhody laserem kalených povrchů

Laserové kalení již není zdaleka výsadou pouze při zušlechtění forem. Díky dostupnosti a klesajícím cenám laserů (pořizovacím i provozním) je tato technologie stále častěji uplatňována také v tradičním strojírenství pro vhodné konstrukční materiály a strojní díly.

CO SE DĚJE UVNITŘ

První etapou kalení povrchu je ohřev. Během něj musí být v povrchové vrstvě oceli dosaženo austenitizační teploty. Dochází také k rozpouštění karbidů a dalším difuzním jevům, takže výsledek je závislý mimo jiné na velikosti zrna nebo typu a velikosti primárních karbidů v nadeutektoidních ocelích. Hloubku kalení lze řídit rychlostí pohybu paprsku a teplotou (tj. výkonem laserového paprsku). Pro zlepšení kontroly je proces obvykle monitorován pomocí pyrometru připojeného ke zdroji laseru. Regulací výkonu laseru může udržovat konstantní povrchovou teplotu, což poskytuje homogenní tvrdost a zabraňuje lokálnímu tavení. Protože materiál kalené součástky zůstává kolem laserového paprsku chladný, minimalizují se makroskopická pnutí způsobující deformace teplotní roztažností.

Další rozdíl od ostatních technik povrchového kalení spočívá v mechanismu odvádění tepla ve druhé etapě procesu. Je založen na samokalení, odvodem tepla do materiálu rychlostmi několika tisíc stupňů za vteřinu (což ovlivňuje např. tloušťka stěny apod). Pokud je kalený materiál dostatečně masivní, není potřeba chladit povrch pomocí chladicího média přiváděného zvnějšku, protože vnitřek součásti zůstává studený a absorbuje teplo vedením dostatečnou rychlostí (tj. chlazení konvekcí). Lze tedy předpokládat, že fázová transformace probíhá v austenitické vrstvě mnohem rovnoměrněji než v dříve uvedených technologiích. V tomto případě tedy pracujeme s mikroskopickým zbytkovým napětím, způsobeným martenzitickou fázovou transformací.


Robotizované laserové pracoviště – robot a diodový laser

Díky uvedeným detailům je kalení laserovým paprskem z hlediska náchylnosti k trhlinám mnohem výhodnější než ostatní technologie. Vysoké rychlosti ohřevu i ochlazování jsou důvodem vzniku tlakových pnutí na povrchu, které při provozním zatížení brání vzniku a rozvoji trhlin. Jak prokázal ve své práci o superkritickém ochlazování Dr. Kobasko, pravděpodobnost vzniku trhlin je maximální při ochlazovacích rychlostech cca 400 °C.s-1, nad hranicí 600 °C.s-1 se však blíží k nule! A to je také případ laserového kalení.

ZBYTKOVÁ NAPĚTÍ ZLEPŠUJÍ ÚNAVOVOU ŽIVOTNOST

Při měření profilu tvrdosti se maximální tvrdost často nenachází na povrchu, ale v hloubce několika desetin milimetru pod povrchem. Tato skutečnost má různé důsledky, jako jsou spory při přejímací kontrole v případech, kdy předepsaná tvrdost (měřená na povrchu) „nebyla splněna“. Přídavek pro broušení tak může přispět k vyšší konečné tvrdosti povrchu. Povrch v laserové stopě na vzorku materiálu ČSN 12050 (C45) byl postupně hloubkově leptaný a zbytková napětí byla měřena rentgenovou difrakcí. Na povrchu bylo detekováno tahové napětí, které v hloubce 0,1 mm pod povrchem klesá k nule. Se zvětšující se hloubkou rostou příznivá tlaková napětí. Měkký povrch vykazuje tvrdost 320 HV. Pod povrchem se zvyšuje tvrdost a maxima 550 HV dosahuje v hloubce 0,5 mm. Ve stejné hloubce byla zjištěna maximální tlaková napětí. Průběh vnitřních pnutí dobře koresponduje se zbytkovým napětím.


Profil hloubky zbytkového napětí od povrchu přes kalenou vrstvu. HV1 profil hloubky tvrdosti od povrchu přes kalenou vrstvu.

Při pohledu na příčný profil povrchového napětí je vidět, že na obrobeném (soustruženém) povrchu jsou tahová napětí vysoká. Při tahovém zatížení takové součástky (v našem případě hřídele nápravy) během provozu dochází ke sčítání obou typů tahových napětí (od obrábění a od zatížení) a může snadno dojít ke vzniku iniciační trhliny. V kalené oblasti jsou tlaková napětí na úrovni 200 MPa, která naopak snižují úroveň napětí od vnějších sil a tím zvyšují odolnost proti vzniku trhlin. V dřívějších experimentech bylo prokázáno, že vyšší rychlost kalení s nižším tepelným zatížením vzorku vede k vyšším zbytkovým napětím a lepší únavové odolnosti. Dále únavové zkoušky tříbodovým ohybem prokázaly, že kalený materiál vykazuje vyšší nebo shodnou únavovou pevnost než výchozí materiál v původním nezakaleném stavu. Rychlé procesy laserového kalení prakticky eliminovaly rozptyl a zvýšily únavovou odolnost v celém rozsahu zatížení. Tento efekt může souviset s relativně vysokými tlakovými zbytkovými napětími, která byla detekována strukturními rentgenovými metodami na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Zejména tam, kde se únavové trhliny vytvářejí z povrchových nebo podpovrchových mikrostrukturních defektů, je jejich růst v počáteční fázi krátkých trhlin narušen nebo dokonce zastaven tlakovým zbytkovým napětím.


Průběh vnitřních zbytkových napětí v příčném směru laserové stopy

Na základě uvedených výsledků byl zahájen projekt zlepšení únavových vlastností náprav kolejových vozidel. Během životnosti jsou nápravy zatěžovány až 109 cyklů a občas dochází k únavovému porušení pod nalisováním. Výsledkem jsou havárie vlakových souprav. Již první experimenty dokládají, že díky laserovému kalení jsou původní tahová napětí na obráběném povrchu transformována v kalené oblasti na napětí tlaková. Dopad na iniciaci únavových trhlin je v současnosti testován ve společnosti SVÚM na experimentálních vzorcích tříbodovým ohybem. Dále jsou připraveny reálné nápravy s laserovým kalením a nalisovanými koly pro finální ověření.

ZÁVĚR

Laserové kalení vykazuje řadu výjimečných vlastností. První vážnější industriální využití probíhá zhruba deset let při kalení nástrojových ocelí. Zkoušky i realita ukazují minimálně 30% nárůst životnosti nástrojů, forem, zápustek a dalších komponent. Zlepšení otěruvzdornosti je spojováno s jemnější strukturou a vznikem příznivých tlakových napětí. Ta jsou ve výsledku také odpovědná za lepší únavové vlastnosti, a to nejen nástrojových, ale také konstrukčních ocelí. Pomocí tlakových zbytkových napětí na kaleném povrchu lze vysvětlit i zvýšenou odolnost proti vzniku trhlin během tepelného zpracování, která souvisí s nadkritickými ochlazovacími rychlostmi. Cílené využití tlakových napětí v laserem kaleném povrchu může být aplikováno také pro zlepšení životnosti a bezpečnosti cyklicky a dynamicky namáhaných strojních součástí. Tento závěr však neplatí pouze pro kalení, ale např. také pro laserové svary. Příklad využití laserového kalení náprav kolejových vozidel ukazuje, že „bílých míst“ aplikačních možností je stále celá řada.

 

Raptech


Stanislav Němeček

nemecek@raptech.cz

www.raptech.cz

Další články

Výzkum/ vývoj
Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: