PL247574B1 - Sposób obróbki laserowej żeliwa płatkowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki laserowej żeliwa płatkowego, w którym obrabianą warstwę wierzchnią tego materiału pokrywa się powłoką stanowiącą mieszankę stopową, którą wykonuje się z proszków boru i niklu w stosunku 1 : 1 oraz substancji wiążącej - szkła wodnego. Następnie nagrzewa się taką powierzchnię wiązką laserową o gęstości od 700 do 1100 W/mm² z zastosowaniem kolimacji równej 12 mm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki laserowej - wytworzenia warstwy wierzchniej - żeliwa płatkowego charakteryzującej się większą twardością i odpornością na zużycie tribologiczne za pomocą laserowej obróbki cieplnej.

Żeliwa szare stosowane są na wiele elementów maszyn i urządzeń, których części narażone są na zwiększone zużycie w wyniku tarcia a niejednokrotnie również na środowisko korozyjne. W motoryzacji można wymienić np. elementy hamulcowe. Narażone są na szereg niesprzyjających warunków do których należy przede wszystkim tarcie, a także zwiększone wartości temperatury oraz działanie tzw. szoków temperaturowych i oddziaływanie korozyjne.

W związku z tym, wykorzystanie odpowiedniej metody modyfikacji warstwy wierzchniej takich elementów jest uzasadnione. Modyfikacja ta powinna polegać na takim umocnieniu warstwy wierzchniej które skutkowałoby zwiększeniem odporności tribologicznej. Obróbka ta powinna również zwiększyć odporność korozyjną oraz odporność na oddziaływanie zwiększonych wartości temperatur. Takie właściwości warstwy wierzchniej można uzyskać przez implementację odpowiednich pierwiastków stopowych za pomocą obróbki laserowej, które powodują umocnienie roztworowe oraz powstanie nowych twardych faz charakteryzujących się niejednokrotnie odpornością na korozję. Ponadto, tak ukonstytuowana mikrostruktura staje się również bardziej odporna na działanie podwyższonych wartości temperatur. Jednym z pierwiastków spełniających takie wymogi jest bor. Tworzy bardzo twarde i odporne na korozję fazy. Mikrostruktura taka charakteryzuje się też dużą żaroodpornością i żarowytrzymałością. Innym pierwiastkiem który jest powszechnie znany ze zwiększania trwałości, wytrzymałości, ciągliwości, odporności na korozję, żarowytrzymałości stopów żelaza jest nikiel. Może być on wykorzystany do laserowej obróbki cieplnej polegającej na stopowaniu warstwy wierzchniej wraz z borem w celu zrównoważenia ewentualnego niekorzystnego wpływu tego pierwiastka w przypadku powstania twardych, lecz kruchych borków żelaza, szczególnie typu FeB.

W niemieckim opisie patentowym DE3347048 (A1) przedstawiono sposób wytwarzania warstwy powierzchniowej zawierającej bor przez zautomatyzowane napawanie przy wykorzystaniu plastycznie odkształcalnego materiału wypełniacza. Sposób ten jednak odnosi się do tworzenia borowanej warstwy za pomocą metody spawalniczej i dotyczy stali. Z japońskiego opisu JP5686247 (B2) znane jest narzędzie posiadające powłokę z azotku boru utworzoną za pomocą metody osadzania. Według opisu patentowego P.413225 (A1) do warstwy wierzchniej wprowadza się bor za pomocą obróbki laserowej ale bez udziału innych pierwiastków oraz z zastosowaniem innych parametrów wiązki laserowej, jak moc i średnica wiązki, czy też czas ekspozycji obrabianej powierzchni.

Podczas prac nad wynalazkiem okazało się, że wprowadzenie do warstwy warstwę wierzchniej z udziałem boru, niklu powoduje, że strefa stopowana charakteryzuje się zwiększoną twardością w porównaniu do twardości żeliwa oraz twardości warstwy stopowanej tylko borem oraz zwiększoną odpornością na zużycie przez tarcie w porównaniu do żeliwa nieobrobionego oraz z warstwą wytworzoną za pomocą stopowania jedynie borem.

Sposób stopowania laserowego żeliwa płatkowego według wynalazku składa się z dwóch etapów. Pierwszy polega na pokryciu powierzchni powłoką, która stanowi mieszankę stopową wykonaną z proszków: niklu oraz boru w stosunku 1:1 oraz substancji wiążącej. Substancję tę stanowi powszechnie używane do tego celu szkło wodne. Drugi etap obróbki polega na nagrzewaniu tak przygotowanej powierzchni wiązką laserową o gęstości od 700 do 1100 W/mm² z zastosowaniem kolimacji równej 12 mm.

Korzystnym jest kiedy posuw wiązki laserowej odbywa się po linii prostej z prędkością od 16 do 20 mm/s.

Korzystnym jest jednocześnie kiedy masa powłoki przypadająca na powierzchnię (która nakładana podczas pierwszego etapu obróbki) wynosi od 0,4 do 0,6 mg/mm².

Sposób według wynalazku umożliwia ukonstytuowanie warstwy wierzchniej zawierającej strefy przetopioną o głębokości ok. 0,5 mm wzbogaconą o mieszankę stopową o drobnoziarnistej dendrytycznej i zahartowanej mikrostrukturze. Implantowane pierwiastki wchodzą w skład roztworów stałych. Strefa stopowana charakteryzuje się ponad 5-krotnie zwiększoną twardością w porównaniu do twardości żeliwa. W wyniku tak przeprowadzonej obróbki można uzyskać zwiększoną odporność na zużycie przez tarcie. Elementy obrobione charakteryzują się blisko 7-krotnie mniejszym ubytkiem masy w porównaniu do elementów nieobrobionych. Strefa stopowana wykazuje również odporność na korozję.

W przykładzie realizacji sposobu według wynalazku powierzchnię fragmentu żeliwnej części poddaje się modyfikacji dla uzyskania umocnienia jej warstwy wierzchniej. Na powierzchnię nakłada się powłokę składającą się z mieszaniny zawierającej mieszaninę proszków: bor i nikiel - w proporcji 1:1 oraz substancji wiążącej stanowiącą szkło wodne.

Następnie powierzchnię nagrzewa się wiązką laserową, której gęstość mocy wynosi 850 W/mm², kolimacja jest równą 12 mm a prędkości jej posuwu względem obrabianej powierzchni wynosi 18 mm/s. Posuw wiązki laserowej odbywa się po linii prostej. Masa nałożonej powłoki przypadająca na nagrzewaną powierzchnię wynosi 0,5 mg/mm². Natomiast oczekiwane efekty można uzyskać się także już w zakresie od 0,4 do 0,6 mg/mm².

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki laserowej żeliwa płatkowego znamienny tym, że obrabianą warstwę wierzchnią tego materiału pokrywa się powłoką stanowiącą mieszankę stopową, którą wykonuje się z proszków boru i niklu w stosunku 1:1 oraz substancji wiążącej w postaci szkła wodnego, a następnie nagrzewa się taką powierzchnię wiązką laserową o gęstości od 700 do 1100 W/mm² z zastosowaniem kolimacji równej 12 mm.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że posuw wiązki laserowej odbywa się w linii prostej z prędkością od 16 do 20 mm/s.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że masa nałożonej powłoki przypadająca na obrabianą powierzchnię wynosi od 0,4 do 0,6 mg/mm².