123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

Tepelné zpracování laserem

Připraveno podle publikace vydané a.s. Technologické centrum, Brno,
autor p. Ing. Petr Zatloukal

U součástí strojírenských zařízení s vysokou životností jsou často kladeny rozdílné požadavky na vlastnosti povrchu výrobku a jeho jádra. Povrch musí být odolný proti opotřebení, svoji chemickou stálostí proti korozi, jádro musí odolávat mechanickému namáhání. A právě tyto požadavky umožňuje splnit transformační zpevnění funkčních ploch součástí laserem.

K jeho nejdůležitějším přednostem patří:

  • malé tepelně ovlivněné pásmo, které prakticky vylučuje možnost deformace součásti,
  • zvýšená tvrdost povrchové vrstvy v rozsahu od několika mikrometrů do něko1ika milimetrů, přitom zakalená vrstva je velmi homogenní, s jemným martenzitickým zrnem,
  • výrobky tepelně zpracovávané laserem nevyžadují použití speciálního chladicího prostředku, tím odpadá možnost chemického znečištění výrobku a snižuje se ekologické zatížení technologického provozu,
  • zpevňování povrchu laserem je možné vykonávat i v těžko dostupných místech součástí,
  • konfigurace zpevněné zóny závisí jen na technologických požadavcích konstruktérů,
  • tepelné zpracování laserem může být konečnou operací výroby součástí,
  • tepelné zpracování laserem patří mezi "čisté" technologie, bez negativního vlivu no životní prostředí,
  • laserový paprsek proniká vzduchem i jinými plyny prakticky beze ztrát, nevyžaduje vakuum, materiály je možné zpracovávat v plynové atmosféře libovolného složení,
  • malá setrvačnost technologické hlavice a lehká ovladatelnost technologického procesu tepelného zpracováni laserem dávají předpoklady pro automatizaci technologického procesu.

Tepelné zpracování laserem je použitelné u ocelí a slitin o obsahu uhlíku větším než 0,3%, které jsou kalitelné i obvyklými kalicími metodami. Možnost zpevňování měkkých (nízkouhlíkových) ocelí umožňuje jejich záměnu za oceli legované, a tím úsporu drahého konstrukčního materiálu. Při kvalitním provedeni tepelného zpracování součástí laserem dochází k prodloužení jejich životnosti o 50 až 400%.

Parametry technologického procesu

Dopadá-li laserový paprsek po určitou dobu na kovový povrch, absorbovaná energie paprsku se mění v teplo zahřívající zpracovávanou součást. Tento proces můžeme charakterizovat třemi základními parametry:

  • výkonem laserového záření dopadajícího na povrch součásti,
  • plochou laserového svazku dopadajícího na povrch součásti,
  • rychlostí vzájemného posuvu součástí a dopadajícího laserového svazku.

Míra tepelného ovlivnění materiálu je dána hustotou dopadajícího svazku laserového záření a dobou jeho působení, které lze určit z uvedených základních parametrů. Známe-li zároveň fyzikální vlastnosti zpracovávaného materiálu, lze profil tepelného ovlivnění součástí vypočítat i teoreticky.

Děje při velmi rychlém ohřevu oceli

Při obvyklých rychlostech ohřevu oceli probíhá fázová přeměna feriticko-perlitické struktury na austenit (u podeutektoidních ocelí) tvorbou a růstem zárodků. Zárodky vznikají po určité době i z feritu při překročení teploty přeměny na rozhraní mezi feritem a cementitem. Rozhodujícím faktorem pro počet zárodků je výchozí struktura materiálu. Čím je tato struktura jemnější, tím snadnější je přeměna na strukturu austenitickou. Další transformace probíhá růstem austenitických zárodků do okolního feritu, přičemž uhlík potřebný pro transformaci musí být k frontálnímu rozhraní přiveden difuzí. Doba austenitizace je tím kratší, čím jsou kratší difuzní dráhy uhlíku. Chceme-li během krátké doby austenitizovat tenkou povrchovou vrstvu materiálu, potřebujeme relativné vysoké hustoty energie. V opačném případě je teplo potřebné k transformaci v důsledku dobré tepelné vodivosti oceli rychle odvedeno do jádra materiálu. Hustota energie však nesmí být tak vysoká, aby nedošlo v procesu austenitizace k překročení teploty tavení zpracovávaného materiálu.

Používáme-li pro ohřev laserové záření s vysokou hustotou energie, dochází na povrchu oceli k velmi rychlému ohřevu, který způsobuje posun teplot přeměny materiálu k vyšším hodnotám. Toto zvýšení je větší pro legované oceli než pro oceli nelegované a je dané skutečností, že u legovaných ocelí je k dokonalému průběhu přeměny na novou homogenní strukturu potřeba difuzního přerozdělení atomů.


Tepelné zpracování ocelí

Rozdílnost chemického složení, výchozí struktury a fyzikálních vlastnosti zpracovávaných ocelí vede k rozdílným průběhům a výsledkům laserového tepelného zpracování. V zásadě lze říci, že tento technologický proces je možné použít u všech ocelí s dostatečným obsahem uhlíku.

U nízkouhlíkových ocelí, kde k martenzitické transformaci dochází při vyšších teplotách, vede postupující ochlazování rychlostmi běžnými při konvenčním tepelném zpracování k popouštění vzniklého martenzitu, který ztrácí svou původní tvrdost. Vysoká rychlost ochlazování při tepelném zpracování laserem brání tomuto popouštěcímu efektu. Vysoký podíl feritu ve výchozí struktuře těchto ocelí má za následek, že během krátké doby rychlého ohřevu laserem se nestačí vytvořit dostatečně homogenní austenit.

U ocelí se středním obsahem uhlíku bude průběh tepelného zpracování laserem značně závislý na výchozí struktuře - zda je materiál po normalizačním žíhání nebo v zušlechtěném stavu. Dokonalá austenitizace probíhá mnohem lépe a rychleji v zušlechtěném stavu. Při ohřevu materiálu po normalizačním žíhání se transformují nejdříve perlitická zrna a mnohem později (resp. při vyšší teplotě) zrna feritická. Vzhledem k tomu, že doba ohřevu neumožňuje difuzi uhlíku na větší vzdálenosti, je vytvořený austenit, pokud jde o obsah uhlíku, značně nehomogenní. Při dostatečně vysokých teplotách se i u normalizačně žíhaných materiálů vytvoří homogenní austenit a po ochlazení homogenní martenzit.

Při povrchovém transformačním zpevňování ocelí zušlechtěných na vyšší hodnoty pevnosti, může dojít na rozhraní zakalené vrstvy a základního materiálu ke vzniku popuštěné mezivrstvy, která je měkčí než jádro. Tato vrstva vzniká v oblasti teplot, kdy již nedojde k zakaleni, nýbrž ke krátkodobému popouštění jádra. Vzniku tohoto nežádoucího strukturního vrubu lze předejit zejména tím, že pro povrchové kalení neužíváme materiály zušlechtěné nad určitou hodnotu pevnosti.

Při laserovém tepelném zpracování nadeutektoidních ocelí vede pokles teploty od povrchu zpracovávaného materiálu směrem k jádru k rozdílnému stupni rozpouštění karbidů, a tím je ovlivňována stabilita austenitu a rozložení tvrdosti. V materiálu dodaném ke zpracování ve vyžíhaném stavu se během krátké doby austenitizace hrubé karbidy zcela nerozpustí, i když se přiblížíme teplotě taveni. Nejlépe a nejdříve se rozpouštějí karbidy železa (resp. karbidy s nízkým obsahem legujících prvků), karbidy s vysokým obsahem legujících prvků vyžadují pro převedení do tuhého roztoku vyšší teploty. V zakalené struktuře se tedy vyskytuje převážně karbidická fáze legur. Část legujících prvků, která přešla do tuhého roztoku zvyšuje stabilitu zbytkového austenitu. Teplota taveni nadeutektoidních ocelí je často poměrně nízká, což spolu se značným zvýšením teploty fázové přeměny způsobuje, že teplotní oblast vhodná pro austenitizaci je dosti úzká. Přestože u nadeutektoidních ocelí je rozdělení uhlíku v perlitické i zušlechtěné výchozí struktuře rovnoměrné (na rozdíl od nerovnoměrného rozdělení uhlíku ve feriticko-perlitické výchozí struktuře podeutektoidních ocelí po normalizačním žíhání), probíhá austenitizace zušlechtěných materiálů rychleji, dosahuje se větších hloubek zakalení a vyšších hodnot tvrdosti. Je zřejmé, že při laserovém transformačním zpevnění nadeutektoidních ocelí s perlitickou výchozí strukturou zůstává nerozpuštěno větší množství sekundárního cementitu. Jinak je však struktura tepelně ovlivněného pásma v obou případech tvořena jemným homogenním martenzitem se síťovím nerozpuštěného sekundárního cementitu, které se vyskytuje až ke zpracovávanému povrchu.


Tepelné zpracováni litin

Všechny druhy litin se vyznačují značně heterogenní strukturou. Podle této struktury a zejména podle formy výskytu uhlíku dělíme litiny do několika skupin.
Struktura šedé litiny je tvořena lupínkovým grafitem v perlitické, resp. feriticko-perlitické matrici.
Tvárná litina obsahuje grafit ve formě zrn uložených v perlitické, feriticko-perlitické nebo feri-tické matrici.
Vermikulární litina je co do formy výskytu grafitu i co do vlastností uprostřed mezi šedou a tvárnou litinou.
Bílá litina vzniká tuhnutím podle metastabilního průběhu rovnovážného diagramu a její struktura je v podstatě tvořena mentitem a perlitem.
Temperovaná litina vzniká po žíhání bílé litiny vhodného složení a obsahuje zrna grafitu v perlitické, feriticko-perlitické a feritické matrici, popřípadě je matrice tvořena popuštěnou martenzitickou strukturou.

Heterogenní struktura ovlivní průběh tepelného zpracování laserem, při němž jsou doby pro průběh migračních a transformačních dějů velmi omezené. Při velmi rychlých ohřevech vlastních laserovému tepelnému zpracování se uplatní pouze uhlík obsažený v základním matrici. Lupínky grafitu zůstanou v zakalené struktuře zachovány a vykazují spolu se základní martenzitickou strukturou velmi příznivé tribologické vlastnosti. Proto je nutné dbát, aby lupínky grafitu končící na povrchu během ozáření laserovým svazkem nevyhořely. Základní matrice litiny by měla být perlitická nebo zušlechtěná s obsahem uhlíku 0,5 až 0,7%. Obsah křemíku, který snižuje rozpustnost uhlíku v austenitu by měl být udržován na nejnižší hodnotě, která ještě zaručuje grafitické tuhnuti, tj. do 2%. Karbidotvorné prvky - Cr, Mo a V zvyšují obsah uhlíku v základní matrici a umožňují dosažení vysoké tvrdosti martenzitu.

Množství a forma výskytu grafitu v litinách se významně uplatní rovněž na tepelné vodivosti materiálu, což má pro průběh tepelného zpracování laserem velký význam. Různé typy litin mají odlišné součinitele tepelné vodivosti a při užití stejných parametrů tepelného zpracování laserem je dosaženo rozdílné hloubky vytvrzení.


Typické aplikace technologie tepelného zpracování laserem

Tepelné zpracování laserem se v současné době podílí na celkovém zpracování materiálů ve světě asi 10-15%. Typické výrorobní aplikace směřují především do automobilového, lodního, drážního, zemědělského a vojenského strojírenství a jsou jím především opracovávány tyto součásti:

  • klikové hřídele,
  • vačkové hřídele,
  • drážky pístů,
  • pístové kroužky,
  • vedeni ventilů,
  • vložky válců,
  • sací kanály motorů,
  • vodítka čepů,
  • pera, pouzdra, spojky,
  • pluhová ostří, předradličky,
  • hydraulické prvky,
  • ozubená kola,
  • vodicí lišty obráběcích strojů,
  • části mlýnů kamenných, uhelných,
  • lisovací zařízení cihlářských strojů.

Zpět na laser ve strojírenství



logo welding.cz