24
call
write

Obróbka cieplna stali wybrane zagadnienia

Powtórzenie i utrwalenie obr. cieplna wybrane zagadnienia

Hartowanie laserowe

Znajdujące coraz więcej zastosowań w przemyśle hartowanie laserowe przeprowadza się w celu uzyskania twardej i odpornej na ścieranie struktury warstwy wierzchniej. Technologia ta sprawdza się w przypadku wszystkich materiałów, które podlegają hartowaniu ogniowemu i indukcyjnemu. Hartowanie laserowe jest dziś w pełni zautomatyzowane i umożliwia hartowanie obiektów o niemal dowolnie skomplikowanej geometrii.

Wysokie wymogi dzisiejszej produkcji przemysłowej stawiają przed inżynierami zupełnie inne wymagania niż jeszcze kilka lat temu. Wybór technologii hartowania jest obecnie podyktowany przede wszystkim wymogami technicznymi dotyczącymi obrabianego detalu lub gotowego produktu, którego będzie on częścią. Zastosowanie hartowania laserowego umożliwia obróbkę części, które ze względu na swoją budowę lub zastosowanie nie mogły być hartowane innymi metodami. Zastosowanie precyzyjnego i łatwego do sterowania lasera jako medium hartującego stwarza zupełnie nowe możliwości. Współczesne metody hartowania laserowego są nie tylko przyjazne dla środowiska, ale również nie wymagają stosowania pomocniczych procesów obróbki hartowanego detalu oraz użycia mediów chłodzących. Jednak do głównych zalet tej metody należy zaliczyć energooszczędność (wysoko wydajny laser o mocy 4,0 kW zużywa łącznie z układem chłodzenia niecałe 15 kW), szybkość (hartowania laserowe jest procesem w pełni zautomatyzowanym) oraz fakt, że hartowane detale są niemal natychmiast dostępne w dalszym procesie produkcji.

Dobra alternatywa
Procesy hartowania mają zastosowanie do części lub całości obrabianych detali. W hartowaniu laserowym utwardzone zostają jedynie zewnętrzne warstwy materiału, co z jednej strony zapewnia utrzymanie na tym samym poziomie wytrzymałości rdzenia na rozciąganie, a z drugiej – dzięki korzystnemu rozkładowi naprężeń – znacznie redukuje możliwość pęknięcia materiału. W procesie hartowania laserowego do materiału wprowadza się tylko 20% ciepła w porównaniu z hartowaniem indukcyjnym. To pozwala ograniczyć konieczność dalszej obróbki mechanicznej materiału.
Hartowanie laserowe pozwala na przeprowadzenie operacji w stosunkowo krótkim czasie. Powierzchnia hartowana może mieć dowolny kształt, a detal może być hartowany na zmienną głębokość. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu nowoczesnych systemów skanujących, które pozwalają hartować elementy o skomplikowanych kształtach i przy zmiennej szerokości ścieżki hartowania. Do hartowania powierzchniowego predysponowane są takie materiały, jak:

  • stale narzędziowe do pracy na zimno (NC6, NC10, NC11),
  • stale narzędziowe do pracy na gorąco (WLV, WCLV, WNLV),
  • stale na formy do tworzyw sztucznych (1.2311, 1.2312, 1.2738, 1.2316),
  • stale do ulepszania cieplnego (C45, C55, uuC60, 40H, 40HM, 38HMJ),
  • stale do nawęglania (16HG, 20HG),
  • stale konstrukcyjne,
  • staliwa,
  • żeliwa oraz odlewy z żeliwa modyfikowauunego i sferoidalnego.

Do hartowania laserowego nadają się materiały o zawartości węgla wynoszącej minimum 0,22% ich masy. Technologia hartowania laserowego pozwala na obróbkę materiałów już wcześniej nawęglonych lub naazotowanych plazmowo. W wyniku procesu otrzymujemy drobniejszą sieć krystaliczną w porównaniu do hartowania piecowego i indukcyjnego.

Proces w przekroju

Schemat procesu hartowania laserowego

W procesie hartowania laserowego wiązka lasera nagrzewa warstwy zewnętrzne obrabianego materiału, dzięki czemu powstaje różnica temperatur pomiędzy temperaturą powierzchni a temperaturą rdzenia obrabianego przedmiotu. Powierzchnia materiału nagrzewana jest do temperatury przemiany austenitycznej z prędkością około 730°C na sekundę, a proces podlega kontroli aż do temperatury topnienia. W zależności od materiału temperatura przemiany austenitycznej wynosi od ok. 900°C do 1400°C, a czas jej utrzymywania się od ok. 3 do 10 s. Po osiągnięciu docelowej temperatury wiązka laserowa przesuwa się na kolejny obrabiany fragment, a powierzchnia, na którą przestaje padać wiązka lasera, schładza się samoczynnie. Bardzo wysoka temperatura powoduje zmianę struktury atomowej – atomy węgla zmieniają swoją pozycję (przemiana austenityczna). Prędkość schładzania zależna jest m.in. od przewodnictwa cieplnego hartowanego materiału, zawartości węgla oraz intensywności mocy lasera. Dzięki szybkiemu schładzaniu struktura materiału nie powraca już do swojej pierwotnej formy, tworząc bardzo twardą strukturę martenzytową. Twardości, jakie można uzyskać dzięki tej technologii, odpowiadają górnej granicy przemiany martenzytycznej. Głębokość hartowania laserowego jest uzależniona od rodzaju materiału i w praktyce nie przekracza 1,5 mm. Dla większych głębokości hartowania wymagana jest większa objętość otaczającego materiału tak, aby szybko odprowadzić ciepło i aby poddany obróbce cieplnej obszar schłodził się odpowiednio szybko. Metoda hartowania laserowego jest przyjazna dla środowiska, gdyż nie wymaga stosowania dodatkowych mediów chłodzących, takich jak woda, olej czy sprężone powietrze.