4.2.1. A lézeres felületedzési eljárás általános jellemzése A lézeres felületedzést (laser surface hardening, transformation hardening) mint lokális hőkezelést többnyire acél és öntöttvas munkadarabok adott felületi tartományában a mikroszerkezet, a feszültségi állapot, és a fizikai-technológiai tulajdonságok célszerű módosítása végett alkalmazzák. A kezelést (a rövid időtartamú felhevítést) oly módon végzik, hogy - elkerülve a felület megolvadását -, a felületi kívánt vastagságú rétegében ausztenites, majd az intenzív lehűlés eredményeként döntően martenzites szövetszerkezet alakuljon ki. A lézeres felületedzés pontszerű vagy vonalszerű (rezgetett üzemmódú) lézersugárral végzik különböző vastagságú vonalak, illetve sávok mentén. A lézeres sugárforrás vezérlésétől (lézersugár és a munkadarab relatív mozgásától) függően - amint az 1.ábra mutatja - különböző vastagságú, geometriájú edzett sávok hozhatók létre. A munkadarab felülete többnyire sík, de előfordul, hogy a felület görbült, ha például hengeres alakú alkatrész felületét kell edzeni. Amint az ábrából is kitűnik, a lézersugár lehet koncentrált, amely körszerű foltgeometriával jellemezhető, de lehetséges a rezgő tükrös üzemmód megvalósítása is, amelynek révén az edződés szélesebb sávra is kiterjeszthető. Számos esetben előfordul, hogy kezeléskor az egyes sávok átlapolódnak, ilyenkor a már megedződött sávok újramelegednek. Tekintettel a kezelt fémötvözetek (acélok, öntöttvasak) jelentős hővezető képességére, a koncentrált hőbevitellel maximum 2 mm vastagságú réteg beedződésére (önedződésre) lehet számítani mindennemű hűtőközeg alkalmazása nélkül. 2
1. ábra Lézeres felületedzés elve és technológiai változatai (hőkezelés koncentrált sugárral és oszcilláló tükör alkalmazásával) 4.2.2. Lézeres felületedzés technológiája A vasalapú ötvözetek lézeres felületedzése alapvetően ausztenitesítést, majd ezt követő rendkívül gyors hűtést (önedződést) jelent a kezelt rétegben. A lézeres kezelés gyors hevítésen alapuló, rövid idejű ausztenitesítést eredményez. Az ausztenitesedés körülményei (az ausztenit aktuális karbontartalma és az ötvözőeloszlás homogenítása) meghatározzák az edződés mértékét (az edzett réteg vastagságát és keménységét) a gyors hűlést követően. A kéreg keménysége alapvetően az edzéskor képződött martenzit mennyisége és 3
keménységének a függvénye. Acélok esetében a martenzit kellően nagy keménysége (800-900 HV) akkor garantált, ha az acél karbontartalma nagyobb mint 0.3-0.4%. A gyors hevítés növeli az átalakulási hőmérsékleteket, megközelítőleg 100 150 o C-kal. Mivel az A 3 hőmérséklet felett eltöltött idő rövid, így a karbidoldódás, a homogenizálódás mértéke is korlátozott. Hagyományos edzési eljárásnál a kiinduló mikroszerkezetnek nincs döntő jelentősége, ezzel szemben lézeres edzésnél a kiinduló szerkezetnek inhomogenitások, durva karbidok, perlit finomsága nagy jelentőséggel bír, mivel homogenizálódásra, karbidoldódásra kevés idő marad. A lézeres edzéssel létrehozott martenzites réteg mélysége többnyire néhány tizedmilliméterig terjed, de elérhető 1 mm kéregvastagság is az acél összetételétől és a lézeres edzés technológiai paraméterinek célszerű megválasztásától függően. Elsősorban gépkocsialkatrészek felületedzését végzik lézerrel, helyettesítve a szélesebb körben alkalmazott indukciós edzést, illetve a cementáláson alapuló betétedzést. A felületi edzés csak akkor lehet gazdaságos lézerrel, ha azt más, hagyományos módszerekkel nem, vagy csak előnytelen kompromisszumok árán lehet megvalósítani. Figyelembe kell venni azt is, hogy a lézersugár célszerűen fókuszált, geometriailag jól meghatározott foltja szisztematikus módon vándorol a kezelendő felületen, tehát összefüggő homogén hőkezelt réteg többnyire nem érhető el. Az alkatrész szempontjából ez olykor előnyös is lehet ott, ahol a hagyományos eljárás nem kellően szelektív, azaz csak az érintkező sávokra kiterjedő kezelést biztosítani, elkerülve pl. a sarkok beedződését. Az egymás mellett futó, lézerrel edzett sávok között lehetnek adott mértékben átfedett (többszörösen is hőkezelt és megeresztődött) részek. Megfelelő tükörrezgetési technológiával el lehet elérni azt, hogy a hőkezelés egy széles sáv vagy gyűrű. alakú felületen egyszerre történjék meg. A kis hőbevitel előnyös, ugyanis a munkadarab vetemedésének veszélyét csökkenti. A lézeres felületi edzés egy meghatározott ciklusú és teljesítményű hőbevitel mellett alapvetően az alkatrész anyagának hővezető képessége által szabályozott. A hőbevitelt döntően befolyásolja a felületi energiaabszorpció mértéke, ennek növelésére speciális bevonatok alkalmazásával kínálkozik lehetőség. A nagy energiasűrűségű lézersugár és az anyag kölcsönhatását, így az ennek következtében létrehozott/módosított tulajdonságokat alapvetően a következő technológiai paraméterek határozzák meg: - lézerteljesítmény; - hullámhossz; - sugárnyaláb alakja; 4
- sugárnyaláb mérete (átmérő); - a besugárzott területen belüli intenzitás eloszlás jellege; - az abszorpciós tényező, - a pásztázási (előtolási) sebesség. A kezelt munkadarabban bekövetkező mikroszerkezeti változások (átalakulási folyamatok) anyag fizikai, elsődleges hőtechnikai paramétereitől függnek, ezek közül a legfontosabbak: - hővezető képesség; - sűrűség; - fajhő; - fázisátalakulások kezdő és befejezési hőmérséklete; - az átalakulásokat kísérő latens hő. Valamennyi, szilárd állapotban végzett lézeres felületkezelés esetén alapvető problémaként jelentkezik a fémek korlátozott abszorpciós képessége (más szóval nagy mérvű reflexivitása). Minél nagyobb felület reflexiós képessége (azaz lézerrel közvetített energia visszaverődés mértéke) annál kisebb az energiahasznosítás mértéke. A reflexivitás mértéke egy 1-nél kisebb pozitív szám, értéke elméletileg zérus lehet akkor, ha egyáltalán nincs visszaverődés, azaz tökéletes az abszorpció (ekkor az abszorpciós tényező értéke 1). A reflexivitás függ az anyagminőségtől, a lézer típusától és a fény hullámhosszától (2. ábra) 5
2. ábra Anyagok reflexivitása a hullámhossz függvényében különféle típusú lézerek esetében A 2. ábra diagramjából is kitűnik, hogy a CO 2 lézerek hátránya, hogy reflexivitásuk meglehetősen nagy, reflexivitás tekintetében jobbak a Nd:YAG lézerek, és még inkább a HPDL lézerek (high power diode laser). Ez utóbbiakat elterjedten alkalmazzák felületi edzés céljára [6]. Abszorbció növelésére elterjedt a különféle bevonatok alkalmazása (pl. Mg- és Znfoszfát, Mo- és Fe-szulfid, grafit, fekete festékek, fémoxidok) -, ezekkel olykor 90%-os elnyelési hatásfok is elérhető. A bevonatokat por, spray vagy lakk formájában, illetve kémiai úton szokás felvinni a felületre. Polarizált fénysugár alkalmazása azon a megfigyelésen alapszik, hogy a lineárisan polarizált lézernyaláb beesési szöge függvényében abszorpciós maximum van. A maximális abszorpciót jellemző szöget Brewster-szögnek nevezik, CO 2 -lézer esetén ez 85 -nak felel meg. Rövid ideig ható plazma alkalmazásával szintén növelhető az abszorpció mértéke. Az egyik legelterjedtebb technikai megoldás a grafit spray alkalmazása, ez fekete elnyelő réteget képez a fém felületén, de homokszórással durvított felület, illetve fehér színű bevonat (titándioxid) is alkalmazható a kívánt hatás elérésére. A TiO 2 -bevonatnak az az előnye, hogy nem izzik fel, és így pirométerrel mérhető az anyag felületi hőmérséklete, nincs zavaró tényező. Az alkalmazott bevonat típusa, vastagsága azonban befolyásolja az edzett réteg méretét. 6
A fentiek mellett további lehetőséget kínál az a megfigyelés, hogy az abszorpció megnő, ha a felületi érdesség nagyságrendje az alkalmazott hullámhossztartományba esik. Ha a felületi érdesség értéke nagyobb a hullámhossznál, a többszörös visszaverődés következtében még inkább fokozódik az elnyelődés mértéke. Homokszórással kezelt felület abszorpciója általában nagyobb 60%-nál, köszörült felületé kisebb, mint 10%. Marással, fúrással, esztergálással megmunkált felületek abszorpciója CO 2 lézer alkalmazásakor ez 20 50% között mozog. Az abszorpciós képesség tehát az egyik legfontosabb paraméter, amely közvetlenül befolyásolja az edzési eljárás hatékonyságát. Bár számos próbálkozás történt, az abszorpciós képesség becslésére igazán megbízható módszer nem ismert. Ennek magyarázata, hogy az abszorpció több tényezőtől is függ, ilyen például a felületi érdesség, besugárzási szög, szín. Amennyiben a lézeres felületedzés egy-egy sávra terjed ki - amelyek legtöbbször egymáshoz képest párhuzamosan helyezkednek el -, a hőtechnikai és átalakulási folyamatok több tekintetbe hasonlóak a hegesztési varrat hőhatásövezetében megfigyelhető lokális jelenségekhez. (3. ábra) Lényeges különbség azonban, hogy felületi edzéskor olvadással, illetve dermedéssel nem kell számolni, továbbá hegesztéskor a hevítés és lehűlés sebessége lényegesen kisebb mint a lézeres felület kezeléskor. 3. ábra Hegesztett varrat hőhatásövezetében a lehűlés folyamán végbemenő termikus és átalakulási folyamatok szemléltetése 7
Amint az ábrából megállapítható, felületi edzéskor a munkadarab adott pontjában martenzit létrejöttére akkor lehet számítani, ha a kezelési hőmérséklet kellően nagy, azaz garantálja az ausztenitképződést. Ez mindig bekövetkezik, ha az adott pontban a lokális hőmérséklet meghaladja a 912 o C-ot. Amennyiben a hevítéskor a hőmérséklet az A 1 átalakulási hőmérséklet értékét nem éri el, ausztenit nem képződhet, legfeljebb az előzetes edzéskor létrejött martenzit megeresztődése (szferoidizációja) mehet végbe. Amennyiben a kezelés hosszabb ideig tart, a munkadarab fokozatosan felmelegszik. Emiatt szükséges lehet egy közbenső hűtés beiktatása is, ezzel elkerülhető, hogy a darab hőmérséklete az Ms hőmérséklet közelébe kerüljön. A lézersugár intenzitása a kimenő teljesítmény szabályozásával vagy defókuszálással változtatható. A defókuszálás következtében a lézerfolt mérete kiterjed, ugyanakkor a teljesítménysűrűség drasztikusan lecsökken. Ahhoz, hogy nagyobb felületet ugyanolyan mélyen lehessen kezelni, szegmensekből álló parabolatükröt kell alkalmazni. A tükör minden egyes szegmense egy-egy sávot képez le a fókuszfoltra, ezek szuperponálásával relatíve egyenletes intenzitáseloszlás nyerhető a fókuszfoltban, s várhatóan a kezelési mélység is egyenletes(ebb) lesz. Megfelelő tükörrel végezve a defókuszálást, a sugár nagyobb felületű, négyszög alakú tartomány pásztázására lesz képes. Előfordul. hogy egy adott területnagyság felületedzése egy munkaciklusban nem valósítható meg. Ez esetben több, egymással párhuzamos, egymást részben átfedő pályát (sávot) kell egymást követően edzeni. Kis teljesítményű lézerek alkalmazásakor a szükséges teljesítménysűrűség csak akkor érhető el, ha ehhez nagyon kis fókuszfolt-méret tartozik. Ilyen esetekben időegység alatt sokkal kisebb felületrész kezelhető, kisebb a termelékenység, mint ami nagy teljesítményű lézerekkel elérhető, nem beszélve az edzett réteg vastagságának csökkenéséről. Párhuzamos sávok egymás utáni lézeres kezelésekor különös figyelmet kell fordítani az oldalirányú hőelvezetésre. Az átlapolódó sávokban bekövetkezhet az előzetesen már martenzitesen edzett sávnak A 1 hőmérséklet alatti megeresztődése. Ennek eredményeként, azaz az átlapolási hatás következtében egyes sávtartományokban a martenzit keménységének csökkenésére, következésképpen a keménység csökkenésére lehet számítani (4.ábra). 8
4. ábra Átlapolt sávok kialakulása lézeres felületedzéskor A csökkent keménységű átlapolt megeresztett zónák szélességét és mélységét lényegében a martenzit megeresztés-állósága, az aktuális hőmérséklet-eloszlás és a sávok közötti távolság határozzák meg. 4.2.3. A keménység- és maradó feszültség eloszlás lézeres felület edzéskor Amennyiben a lézeres edzés technológiai paraméterei célszerűen vannak megválasztva, az edzett acél felületén kemény martenzites réteg jön létre. Ennek maximális keménysége az acél karbontartamának függvénye. Az edzett sáv szélessége és mélysége a technológiai paraméterek megválasztásától függ (5. ábra). 9
5. ábra Az edzést követően méréssel meghatározott keménységeloszlás: a) a sáv középvonalától mért távolság függvényében, b) a felülettől mért távolság függvényében [3] Az 5. ábrán látható diagramok egy 0.45 % karbontartalmú ötvözetlen acél lézeres felületedzésével kapcsolatos hőkezelési kísérlet eredményeit a mért keménységeloszlásokat - illusztrálják. A vizsgálatokat ipari CO 2 lézerrel végezték, ennek során a lézerteljesítményt, a pásztázási sebességet és foltátmérőt szisztematikus változtatták. Általános tapasztalt, hogy az edzett kéreg vastagsága nő a lézer teljesítmény növekedésével, és csökken a pászázási (sugárelőtolási) sebesség növelésével. Az egyenlőtlen hőmérséklet-eloszlás, a hőtágulást és fázisátalakulásokat kísérő térfogatváltozások vetemedést és maradó feszültségek keletkezését okozhatják. A 6. ábra két 10
különböző, nevezetesen egy átalakulás nélküli és egy martenzitesen átalakuló ötvözetre vonakozóan szemlélteti a feszültségek időbeli változását, a felület lézeres hevítési folyamatában kialakuló hőmérséklet-változással szinkronban. Mint megállapítható, amennyiben fázisátalakulás nem következik be a nagy hőmérséklet-gradiens következményeként a felületen kismértékű alakváltozás következik be, a lehűlt darab felületén húzófeszültség marad vissza (6.a ábra). Ezzel szemben, amikor lehűléskor martenzites átalakulás megy végbe, a martenzit átalakulással járó térfogat-növekedés kompenzálja a hőmérséklet-különbség hatására létrejött feszültségeket, így végül is a lehűlést követően nyomófeszültség marad a felületi rétegben, ami több szempontból (például a kifáradással szembeni ellenállás szempontjából) is igen kedvező (6.b ábra). 6. ábra A hőmérséklet és a feszültségek változása, maradó feszültségek kialakulása a felület lézeres edzése folyamán. a) átalakulás nélküli esetben, b) martenzites átalakulás esetén [7] Ha nem a teljes felszínen eddzük a felületi réteget, hanem csak egyes nyomvonalak mentén, vizsgálnunk kell az edzett nyomvonal keresztmetszetében is a maradó feszültség viszonyokat. Mérési eredmények arra a megállapításra vezettek, hogy az edzett réteg mellett, a hőhatásövezetben húzófeszültségek ébrednek. A keresztmetszetben ébredő maradófeszültség eloszlást vizsgálva megállapították, hogy az edzett rétegben kialakuló 11
nyomófeszültség értéke nem függ jelentősen az eljárási paraméterektől, ugyanakkor a nyomvonal mentén ébredő húzófeszültségek nagysága az eljárás hőmérsékletének és a pásztázási sebességnek a függvényében jelentősen változik (7. ábra). 7. ábra Maradó feszültségek eloszlása az edzett sáv keresztmetszetében, a hőmérséklet (a), a pásztázási sebesség (b) és az acél kémiai összetétele (c) függvényében Átlapolt nyomvonalak esetén a sávok között jelentős húzófeszültségek ébrednek. Ezek káros hatása elkerülhető, ha a szomszédos sávok kezelése olyan gyors egymásutánban történik (pl. tengelyek forgás közbeni axiális irányú előtolása vagy kellően nagy fordulatszám esetén), hogy az újrahevítés még a martenzites átalakulást megelőzően jön létre. A lézeres 12
hőkezelés alkalmazása során bizonyos esetekben nem is a keménységnövelésen van a hangsúly, hanem a felületi feszültségállapot olyan megváltoztatásán, amely például a kifáradási határ növekedését eredményezi. A kialakuló maradófeszültség-eloszlás vizsgálata a felületkezelt munkadarab felhasználói tulajdonságainak helyes megítélése szempontjából igen nagy jelentőséggel bír. Az alkalmazott eljárás paramétereinek és a munkadarab geometriájának megfelelő megválasztása révén törekednünk kell nemcsak a szükséges nagy felületi keménység és kopásállóság, de ugyanakkor a minél kedvezőbb maradófeszültség-eloszlás kialakítására is. A lézeres felületedzéssel lényegében hasonló eredmények érhetők el, mint indukciós és elektronsugaras edzéssel, amelyek ugyancsak lokális jellegű hőkezelési eljárások. A lézeres kezelések ismert hátrányaival (jelentős beruházásigény, az elégséges mérvű felületi abszorpció biztosítása) azonban ez estben is számolni kell. A lézeres felületedzés alkalmazása akkor gazdaságos, ha kifejezetten nagy a kezelendő alkatrész sorozatnagysága. Tipikus alkalmazási terület a járműipari alkatrészek (például a kopásnak kitett vezérműtengelyek (bütykeinek) felületedzése. 13