PL249518B1 - Sposób laserowego stopowania żeliwa - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób laserowego stopowania żeliwa, w którym obrabianą powierzchnię żeliwa pokrywa się powłoką, stanowiącą kompozycję stopującą składającą się z proszków wprowadzanych pierwiastków: chromu oraz tytanu, o wielkości cząstek 325 w skali mesh, w proporcji 50/50 oraz substancji wiążącej w postaci szkła wodnego, a następnie nagrzewa się powierzchnię za pomocą wiązki laserowej o jej mocy w zakresie od 0,8 do 1kW i średnicy plamki 1,2 mm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest metoda ukonstytuowania warstwy powierzchniowej żeliwa cechującej się zwiększoną twardością i odpornością na zużycie przez tarcie (względem materiału rdzenia) za pomocą stopowania laserowego chromem i tytanem.

Z żeliw, w szczególności szarych wytwarza się wiele części maszyn. Często fragmenty takich odlewów podczas eksplantacji poddawane są zużyciu tribologicznemu, a niejednokrotnie również korozyjnemu. Częściami w motoryzacji, powszechnie odlewanymi z żeliwa z grafitem, które narażone są na intensywne zużycie w wyniku tarcia, a także korozji oraz doraźnie podwyższonych wartości temperatur są np. elementy hamulcowe np. bębny.

Takie warunki eksploatacji uzasadniają przeprowadzanie właściwej obróbki powierzchniowej. Efektem takiej obróbki powinna być warstwa powierzchniowa o zwiększonej twardości (skutkującej zwiększoną odpornością na zużycie) względem materiału rodzenia. Ukonstytuowana warstwa powinna wykazywać zmniejszoną podatność na korozję i oddziaływanie zwiększonych wartości temperatur. Stopowanie laserowe umożliwia uzyskanie takich cech warstwy powierzchniowej. Wynikiem takiej obróbki jest przede wszystkim umocnienie wynikające z powstania drobnoziarnistej, martenzytycznej mikrostruktury dodatkowo nasyconej pierwiastkami stopowymi występującymi w roztworze oraz nowopowstałych fazach np. m.in. węglikach. Taka budowa warstwy powierzchniowej jednocześnie charakteryzuje się zwiększoną odpornością na działanie korozyjne oraz podwyższonych wartości temperatur. Jednym z pierwiastków stopowych działających w ten sposób jest chrom, który jest powszechnie stosowany w celu zwiększenia twardości, odporności na korozję oraz żarowytrzymałości. Jest on stosowany podczas obróbki laserowej, ale głównie samodzielnie. Innym pierwiastkiem używanym do modyfikacji warstw w celu ich umocnienia jest tytan. Może być on zastosowany do intensyfikacji działania chromu i podwyższenia twardości w warstwie podczas stopowania laserowego.

Z polskiego opisu wynalazku P.425545 (A1) znany jest sposób laserowej obróbki cieplnej elementu z żeliwa płatkowego, w którym do warstwy wierzchniej żeliwa wprowadzono również dwa pierwiastki stopowe tj. krzem i kobalt. Zastosowane wartości parametrów determinujące nagrzewania podczas procesu są tu odmienne niż w przypadku wynalazku. Taka mieszanka stopująca, bazująca na krzemie i kobalcie, pozwoliła zwiększyć twardość, ale jedynie 3,5-krotnie w stosunku do twardości materiału rdzenia.

Z kolei według publikacji P.439229 (A1) żeliwo płatkowe było modyfikowane za pomocą obróbki laserowej, ale również z zastosowaniem zupełnie innych pierwiastków, a mianowicie boru i niklu.

Według opisu wynalazku CN114763610A na powierzchni żeliwnych tarcz hamulcowych nakładano powłokę metalową (o strukturze austenitycznej, nie martenzytycznej) za pomocą napawania laserowego (nie stopowania). Stopowanie laserowe np. tarcz hamulcowych było przedmiotem także wynalazku US2022213941A1 (ale bez wskazania pierwiastka stopującego).

W toku prowadzonych prac badawczych okazało się, że kompozycja stopująca oparta o chrom i tytan pozwala osiągnąć 5,5-krotnie większą twardość w porównaniu do materiału rdzenia, co przekłada się na zwiększoną odporność na zużycie przez tarcie. Elementy obrobione sposobem według wynalazku charakteryzują się nadto o 40% mniejszym zużyciem względem elementów nieobrobionych. Strefa stopowana wykazuje również odporność na korozję.

Istotą wynalazku jest sposób laserowego stopowania żeliwa. W sposobie tym obrabianą powierzchnię żeliwa pokrywa się powłoką, stanowiącą kompozycję stopującą. Kompozycja stopująca składa się z proszków wprowadzanych pierwiastków: chromu - Cr oraz tytanu - Ti, o wielkości cząstek 325 w skali mesh w proporcji 50/50 oraz substancji wiążącej w postaci szkła wodnego. W kolejnym etapie nagrzewa się powierzchnię za pomocą wiązki laserowej ojej mocy w zakresie od 0,8 do 1 kW i średnicy plamki 1,2 mm.

Korzystnie posuw wiązki laserowej odbywa się w linii prostej z prędkością od 1000 do 1200 mm/min. Podczas obróbki żeliwnego bębna hamulcowego korzystnym jest jeżeli posuw odbywa się wzdłuż na powierzchni tarcia czyli części wewnętrznej bębna współpracującej z okładzinami na szczękach hamulcowych.

Wyjątkowo optymalnym jest kiedy masa nałożonej powłoki z kompozycją stopująca przypadająca na jednostkę powierzchnię (nakładana przed nagrzewaniem wiązką laserową) wynosi od 0,05 do 0,06 g/cm².

Sposób według wynalazku umożliwia wytworzenie w warstwie drobnoziarnistej i zahartowanej (ze strukturą martenzytyczną) strefy stopowanej o głębokości ok. 0,4 mm.

W przykładzie realizacji metody według wynalazku powierzchnię części wykonanej z żeliwa poddaje się obróbce w celu uzyskania efektu umocnienia jej warstwy powierzchniowej. Na powierzchnię nakłada się powłokę składającą się z kompozycji dwóch pierwiastków stopowych w postaci proszków: chromu - Cr i tytanu - Ti o wielkości cząstek 325 w skali mesh, w proporcji 50/50 oraz substancji wiążącej będącej szkłem wodnym.

Dalej powierzchnię tę nagrzewa wiązką laserową której moc wynosi 0,9 kW z jej średnicą plamki 1,2 mm oraz prędkością posuwu względem obrabianej powierzchni 1100 mm/min.

Posuw wiązki laserowej odbywa po linii prostej. Masa nałożonej powłoki przypadająca na nagrzewaną powierzchnię wynosi 0,055 g/cm². Natomiast spodziewane rezultaty możliwe są do uzyskania również już w zakresie od 0,05 do 0,06 g/cm².

W celu oceny odporności na zużycie warstw stopowanych przeprowadzono badania porównawcze względem żeliwnych elementów nieobrabianych. Badania te polegały na wykonaniu testu tribologicznego w tych samych warunkach dla pięciu elementów stopowanych laserowo i pięciu elementów oryginalnych. Badane elementy poddane były tarciu ściernemu. Ocenę odporności oparto o ubytek masy analizowanych elementów powstały po próbie tribologicznej.

W wyniku stopowania chromem i tytanem uzyskano twardość warstwy ok. 1050 HV co przełożyło się na zmniejszenie ubytku masy po próbie tribologicznej o 40% w stosunku do elementów nieobrobionych laserowo.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób laserowego stopowania żeliwa znamienny tym, że obrabianą powierzchnię żeliwa pokrywa się powłoką, stanowiącą kompozycję stopującą składającą się z proszków chromu i tytanu, o wielkości cząstek 325 w skali mesh, w proporcji 50/50 oraz substancji wiążącej w postaci szkła wodnego, a następnie nagrzewa się powierzchnię za pomocą wiązki laserowej ojej mocy w zakresie od 0,8 do 1 kW i średnicy plamki 1,2 mm.
2. 2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że posuw wiązki laserowej odbywa się w linii prostej z prędkością od 1000 do 1200 mm/min.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że masa nałożonej powłoki z kompozycją stopująca przypadająca na jednostkę powierzchnię (nakładana przed nagrzewaniem wiązką laserową) wynosi od 0,05 do 0,06 g/cm².