Povrchové úpravy pomocí laseru
Kalení je tradičně spojováno s poctivou kovářskou prací či klasickými průmyslovými postupy, ale i v této oblasti se už dokázaly uplatnit ryze moderní technologie - konkrétně využití laserů. Popularita laserového kalení roste kvůli jednoduché programovatelnosti zejména při povrchové úpravě mechanických nástrojů, ozubených kol, lisovacích forem apod.
Laserové povrchové kalení je využíváno jako jeden z moderních způsobů tepelného zpracování materiálů. Je zaměřený na zvýšení tvrdosti a odolnosti povrchů daných materiálů - především kovových - vůči otěru, a tím i ke zvýšení životnosti součástí z nich vyráběných. Uplatňuje se v široké škále aplikací, např. ve strojírenství, automobilovém i leteckém průmyslu, v nástrojárnách, i jako alternativa indukčního kalení ozubených kol a hřídelí nebo pro kalení náběžných hran lopatek turbín apod.
Laser místo indukce
Základní princip laserového kalení spočívá v působení laserového paprsku na povrchovou vrstvu materiálu, která se rychle ohřeje na danou teplotu. Paprsek se plynule pohybuje, zahřívá povrch ve směru posuvu a zahřátá místa se rychle ochladí okolním materiálem. Jedná se o proces tzv. samokalení, při kterém není třeba chladit povrch chladicím médiem. Ochlazení kalené vrstvy začíná v jádru materiálu a postupuje směrem ven k povrchu, který chladne naposledy. Díky vysoké rychlosti ohřevu a rychlému ochlazení vzniknou velmi jemné struktury s drobnými karbidy, krátkými martenzitickými jehlicemi a malou velikostí zrn. Dochází tak k výraznému zvýšení tvrdosti povrchové vrstvy při zachování houževnatosti jádra a bez vnitřního pnutí.
Laserové kalení umožňuje vyhnout se jednomu ze základních problémů, s nímž se lze setkat při použití klasických metod kalení (tzn. plamen, indukce), kdy je povrch ohřátý na vysokou teplotu následně prudce zchlazen. Tím vzniká vysoký teplotní gradient, který způsobuje velká vnitřní pnutí, jež mohou vést k tvorbě nežádoucích trhlin. Aby se tomuto riziku zabránilo, je pro odstranění vnitřního pnutí nutné po kalení provádět tzv. popouštění, které ovšem zase vede ke snížení tvrdosti kaleného povrchu - tím se částečně ztrácí efekt, kvůli kterému bylo kalení prováděno. Při povrchovém kalení pomocí laseru je tento problém do značné míry eliminován: oblast vystavená působení vysoké teploty je velmi malá a ovlivnění okolního nekaleného materiálu minimální. Povrch kalené součásti má nejvyšší teplotu, ale díky rychlému odvodu tepla do studené matrice dochází k postupnému vyrovnávání teplot zevnitř, takže vnitřní pnutí jsou minimalizována a k praskání nedochází.
Další výhodou je, že ve spojení s 3D robotickými systémy lze kalit i parciálně, tj. pouze na vybraných určených plochách (nebo plošných trajektoriích) s minimálním tepelným ovlivněním okolního materiálu, a to i v případě složitých 3D objektů.
Obecně patří k hlavním výhodám laserového kalení kromě již zmíněné minimální deformaci a vnitřního pnutí v materiálu a možnosti prokalení pouze části, také dosažení vyšší jemnosti martenzitu, tvrdost zakalené vrstvy až o 100 HV vyšší než u jiných metod a delší životnost součástí oproti tradičnímu objemovému kalení. V neposlední řadě je proces ekologičtější, spotřebovává méně energie (až 10násobně než s použitím indukce) a nevyžaduje nutně speciální kalicí média a kapaliny.
Možnosti a limity
Ke kalení se používají Nd:YAG lasery, vláknové lasery a nově i vysoce výkonné diodové lasery. Výkon paprsku lze v průběhu kalení upravovat pomocí pyrometru, který měří teplotu kaleného povrchu.
Pro technologii laserového kalení jsou nejvhodnější materiály s obsahem uhlíku nad 0,2 % (nejvíce se používají oceli s obsahem uhlíku 0,4 - 0,5 %) a také litiny, přičemž vliv uhlíku je možné podpořit i dalšími prvky - např. Mn, Cr nebo Mo. Tloušťka stěny součásti kaleného materiálu by měla být minimálně 10krát větší než samotné kalené vrstvy, aby se dosáhlo rychlého ochlazení kaleného materiálu (u menších součástek, kde je obtížné dosáhnout žádoucí optimální tloušťky, lze povrch ochladit vzduchem nebo chladicími kapalinami). Maximální možná hloubka prokalení je cca 2 mm a závisí na typu kaleného materiálu, jeho vodivosti, výkonu a vlnové délce laseru, přičemž obvyklá hloubka zakalené vrstvy se zpravidla pohybuje mezi 0,1 - 1,5 mm. V případě, že je požadováno prokalení do větší než 2mm hloubky, se nabízí ještě možnost tzv. hybridního kalení (kombinace laserového s induktorem), kdy lze dosáhnut prokalení až 2,5mm vrstvy. Tato technologie je ale zatím nepříliš známá a tudíž používána jen výjimečně. /vj/
417
.gif)
