POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w KIELCACH
laboratorium laserowych technologii metali
TEMAT: OBRÓBKA POWIERZCHNIOWA
imię i nazwisko	nr. ćwiczenia	data wykonania	ocena
Zięba Tomasz 23M	5	97-05-22

1. Cel ćwiczenia:

Celem części teoretycznej ćwiczenia jest zapoznanie się z jedną z laserowych technologii obróbczych, do których należy obróbka powierzchniowa. Celem części praktycznej jest zahartowanie warstwy powierzchniowej kilku przygotowanych próbek oraz zbadanie własności wytrzymałościowych obrobionej powierzchni.

2. Wiadomości teoretyczne:

CHARAKTERYSTYKA POCHŁANIANIA

Charakterystyki pochłaniania energii promienistej z wiązki laserowej przez różne materiały obrazuje wykres zależności stopnia pochłaniania od długości fali λ.Występuje tu charakterystyczna „krawędź optyczna”. Oznacza to bardzo gwałtowny spadek lub wzrost stopnia pochłaniania przy zmianie długości fali promieniowania. Metale dzielą się tu na dwie wyraźne podklasy:

- metale szlachetne (Au , Ag ) lub do nich zbliżone (Cu) , mające wypełnione wewnętrzne powłoki elektronowe

- metale przejściowe takie jak Fe , Nl , Cr .

W pierwszej grupie obserwuje się przy falach krótszych z bardzo szybkim spadkiem dla bliskiej podczerwieni , w drugiej grupie spadek jest znacznie wolniejszy. Nieprzewodniki elektryczności wykazują wzrost pochłaniania w obrębie dalszej podczerwieni.

Wspomniane właściwości pochłaniania mają znaczenie przy doborze typu lasera pod kątem widzenia długości fali promieniowania , a również przy stosowaniu specjalnych warstw przeciwodblaskowych zwiększających wnikanie energii do materiału. Stan powierzchni materiału np. gładkość lub chropowatość powierzchni odgrywają przy pochłanianiu promieniowania dość znaczną rolę. Opisywany wykres dotyczy powierzchni optycznie gładkich. Strumień energii zależy także od kąta padania , co wiemy z obszaru widzialnego , podlega on znanemu prawu kosinusowemu. Pochłanianie uzależnione jest również od temperatury ciała napromieniowanego. Przeźroczyste dla widma światła widzialnego szkła mineralne odpowiadają w zachowaniu nie przewodnikom ( izolatorom). Również szkła organiczne (Perspex , Plexiglas) mają podobne zachowanie i dlatego stosuje się je jako ekrany nieprzepuszczające dla promieniowania podczerwonego.

LASEROWA OBRÓBKA POWIERZCHNIOWA dzieli się na :

hartowanie powierzchniowe

stapianie warstwy powierzchniowej

wzbogacanie warstwy powierzchniowej w składniki stopowe

nakładanie warstwy powierzchniowej

Hartowanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury wyższej o około 30^o C od temperatury przemiany A₃ i ochłodzeniu z szybkością większą od szybkości krytycznej. W temperaturze wyższej niż określona linią GSK w układzie żelazo-węgiel struktura stali podeutektoidalnej będzie się składać z kryształów austenitu, a struktura stali nadeutektoidalnej - z austenitu i cementytu drugorzędowego. Szybkie oziębienie z prędkością większą od krytycznej prowadzi do zmiany austenitu w martenzyt.

Hartowanie powierzchniowe jest obróbką polega na nagrzaniu materiału do właściwej temperatury tylko na jego powierzchni. Rdzeń materiału nie jest nagrzewany , zatem podczas obróbki nie zmieni swych własności.

Celem takiego hartowania jest uzyskanie twardej powierzchni , pracującej zwykle na ścieranie oraz ciągliwego rdzenia.

Hartowanie powierzchniowe jest procesem termicznym związanym ze zlokalizowanymi na powierzchni przedmiotu przemianami fazowymi zachodzącymi w polikrystalicznych materiałach metalicznych.

Podczas wyżej wymienionej obróbki powierzchniowej zachodzą dwa podstawowe procesy:

• przejście fazowe ( zarodkowanie i rozrost kryształów)

• dyfuzja

W procesach metalurgicznych (np. walcowanie ) biorą udział duże masy materiału, natomiast w procesach laserowej obróbki masy te są znacznie mniejsze. W szczególności w procesach hartowania powierzchniowego zaangażowane są bardzo małe masy materiału. Powoduje to , że szybkości ochładzania i nagrzewania są znacznie większe. W związku z tym czas dla dyfuzji i przemian fazowych jest również krótki. Dlatego też hartowanie powierzchniowe nie wymaga na ogół dodatkowego chłodzenia i wystarcza chłodzenie naturalne z odprowadzaniem ciepła przez przewodnictwo metalu.

Rysunek przedstawia procesy fazowe w warstwie powierzchniowej podczas hartowania

oznaczenia:

przemiana austenityczna, 2. początek przemiany martenzytycznej, 3. ślad zahartowany

Poniższy rysunek przedstawia procesy termiczne zachodzące w warstwie powierzchniowej

Następną ważną operacją wchodzącą w skład laserowej obróbki powierzchniowej jest wzbogacanie warstwy powierzchniowej w składniki stopowe i nakładanie warstwy powierzchniowej.

Laserowe powlekanie powłokami jest precyzyjną metodą stosowaną dla nadania warstwie wierzchniej przedmiotu specjalnych cech:

odporności na ścieranie i zużycie

odporności na oddziaływanie chemiczne

walorów estetycznych

Proces ten pozwala uzyskać na powierzchni przedmiotu warstwy wierzchnie o wysokiej jakości, wolne od porowatości przy małej dyfuzji materiału podkładowego ale z doskonałą do niego przyczepnością. Najczęściej jako materiał powlekający stosuje się proszek metaliczny.

Występują dwie metody powlekania :

• na powierzchni umieszcza się warstwę proszku

• proszek wdmuchuje się wraz z gazem obojętnym do wiązki laserowej

Proces z wdmuchwaniem jest bardziej elastyczny technologicznie, pozwala na pokrywanie szerszej gamy kształtów geometrycznych i dlatego jest najczęściej używany w przemyśle.

Zależnie od właściwości materiału podłoża stosuje się różne metody:

• proszek ulega przetopieniu i na powierzchni przedmiotu powstaje staw lub jeziorko ciekłego materiału pokrycia , które następnie zastyga.

• proszek ulega tylko uplastycznieniu, ale uderzając z dużą prędkością tworzy się zbita i przylegająca warstwa.

3. Część doświadczalna :

Do wykonania doświadczenia użyto materiału , którego szczegółowe dane zawarte są w poniższej tabeli. Dodatkowo powierzchnia została pokryta absorberem .

Twardość materiału została zbadana trzykrotnie, a otrzymane wartości wynosiły:

206 HV10

207 HV10

206 HV10

średnia wartość twardości wynosi: 206.33 HV10

Parametry laserowego utwardzenia powierzchni

Materiał	grubość g [mm]	moc P. [W]	często- tliwość F [Hz]	prędkość V [mm/min]	twardość Vickersa HV10	średnia twardość	sprawność η [%]
st45	5 5	530 1200	3000 3000	1000 1000	228 ; 219 ; 216 ; 441 ; 454 ; 446	221.6 447.6	10 20
st45	5 5	1830 2500	3000 3000	1000 1000	724 ; 627 ;592 ; 743 ; 681 ; 634 ;	647.6 686	30 40
st45	5 5	3000 6100	3000 3000	1000 1000	742 ; 698 ; 665 ; 762 ; 782 ; 757 ;	701.6 767	50 100

WYKRES ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY MOCĄ A UZYSKANĄ TWARDOŚCIĄ POWIERZCHNI W PROCESIE HARTOWANIA POWIERZCHNIOWEGO.

4. WNIOSKI :

Na podstawie przeprowadzonego hartowania powierzchniowego metodą laserową i wykonanych pomiarów twardości, można stwierdzić że wraz ze wzrostem mocy rośnie twardość badanego materiału. Łatwo też zauważyć , że ze wzrostem mocy rośnie sprawność obrabiarki laserowej. Z przeprowadzonych pomiarów mogę wnioskować , iż najlepsze właściwości ma próbka , do której utwardzenia powierzchni użyto największej mocy.

Dane dotyczące pomiaru twardości zawarte w sporządzonej powyżej tabeli w niektórych przypadkach, znacznie różnią się od siebie. Może być to spowodowane niedokładnością odczytu wyników z twardościomierza, źle wybranym miejscem pomiaru ( za blisko punktu pomiarowego gdzie został wykonany poprzedni pomiar ), lub nierównomiernością zahartowania warstwy powierzchniowej (na środku większa gęstość energii, zaś przy brzegu mniejsza).

Krzywa twardości względem mocy przypomina wyglądem krzywą wytrzymałości na rozciąganie.

Zalety laserowej obróbki powierzchniowej to:

- czystość chemiczna ,

- dobra sterowalność ,

- proces bezdotykowy ,

- łatwość automatyzacji

Koszt hartowania powierzchni metodą laserowej obróbki powierzchniowej jest znacznie tańszy i prostszy w wykonaniu niż proces hartowania powierzchniowego tradycyjnymi metodami. Jest on jednak rzadko stosowany ze względu na duży koszt

obrabiarek laserowych.

---