• INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU SILUMINOV

Sponsored Links

  •   
  • FileName: 12grum.pdf [preview-online]
    • Abstract: Fakulteta za strojni{tvo, A{ker~eva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija ... silicijem in drugimi legirnimi elementi. V aluminij - silicijevi zlitini z bakrom so spreminjali vnos energije in. stopnje ...

Download the ebook

UDK 669.046.5:669.71’782 ISSN 1318-0010
Izvirni znanstveni ~lanek KZLTET 33(5)327(1999)
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM
PRETALJEVANJU SILUMINOV
SURFACE INTEGRITY IN LASER REMELTING OF SILUMINS
Janez Grum, Slavko Bo`i~
Fakulteta za strojni{tvo, A{ker~eva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija
Prejem rokopisa - received: 1999-07-20; sprejem za objavo - accepted for publications: 1999-07-26
V prispevku so obravnavane mikrostrukture zlitin aluminija s silicijem po litju in vpliv laserskega utrjevanja s pretaljevanjem na
spremembo mikrostrukture in trdote v modificirani povr{inski plasti. Naloga je bila usmerjena v spremljanje sprememb v tanki
pretaljeni povr{inski plasti materiala obdelovanca glede na izbrane pogoje pretaljevanja. Po analizi materiala obdelovancev smo
izvedli lasersko toplotno obdelavo z razli~nimi vnosi energije na njihovo povr{ino. Parametre toplotne obdelave smo
spreminjali z razli~nimi mo~mi laserskega snopa, defokusnimi razdaljami le~e in z razli~nimi hitrostmi pomika obdelovanca. Z
izbranimi obdelovalnimi razmerami smo na povr{ini materiala zagotovili `eleni vnos energije na povr{ino obdelovanca, in sicer
od 165 do 477 J/mm2. Celostna analiza je omogo~ila dober vpogled v razmere pri laserski obdelavi aluminijevih zlitin in
uspe{no napovedovanje mikrostrukturnih sprememb v pretaljeni povr{inski plasti v razli~nih razmerah pretaljevanja.
Klju~ne besede: lasersko pretaljevanje povr{ine, aluminijeve zlitine, dovedena energija, mikrostruktura, mikrotrdota
In paper the microstructure of Al-Si alloys and the effects odf laser surface melt-hardening on the microstructural changes and
hardness of the remelted surface layer are presented and discussed. The changes in the thin remelted surface layer of the
workpiece material in chosen heat treatment conditions were investigated. The heat treatment parameters were changed by
varying the amount of power source, the lens defocusing distance and the workpiece travelling speed. By careful selection of the
heat treatment conditions it was possible to obtain the desired amount of energy input into the workpiece surface between 165
do 477 J/mm2. The measurements provided sufficient data for a full description of microstructural changes in remelted surface
layer in different laser heat treatment conditions for the selected aluminium alloys.
Key words: laser surface remelting, aluminium alloys, energy input, microstructure, microhardness
mehki osnovi. Lastnosti pretaljene plasti so odvisne od
1 UVOD kemijske sestave zlitine pred pretaljevanjem, od koli~ine
vnesene energije na povr{ino vzorca, deloma pa tudi od
Utrjevanje povr{inske plasti z laserskim snopom se je
mikrostrukture. V strokovni literaturi lahko najdemo
za~elo uveljavljati zaradi gospodarnosti v {tevilnih
{tevilne rezultate raziskav utrjevanja tanke povr{inske
aplikacijah v maloserijski in tudi velikoserijski
plasti s pretaljevanjem razli~nih aluminijevih zlitin s
proizvodnji pred nekaterimi drugimi klasi~nimi postopki.
silicijem in drugimi legirnimi elementi. V aluminij -
S fokusiranjem laserskega snopa lahko pri ustrezni mo~i
silicijevi zlitini z bakrom so spreminjali vnos energije in
in prirejeni hitrosti pomika obdelovanca in/ali laserskega
stopnje prekrivanja pretaljenih laserskih sledi ter
snopa zagotovimo zadosten vnos energije, da je
dokazali, da je uspe{nost utrjevanja odvisna od
omogo~eno hitro segrevanje ali celo pretaljevanje tanke
povr{inske plasti. V in`enirski praksi se pogosto ohlajevalne hitrosti na meji talina - trdno (stanje) in od
uporabljajo aluminijeve zlitine za dele, ki se po koncentracije legirnih elementov v zlitini. Luft in
mehanski obdelavi vgradijo v funkcionalne sklope. Zato soavtorji1 so raziskali tudi aluminijeve zlitine s kromom,
se zanje pogosto uporabljajo zahteve po kvaliteti manganom, `elezom, nikljem, silicijem, kot tudi titanove
povr{ine in povr{inski plasti, ki jo opi{emo z integriteto zlitine z aluminijem, s poudarkom na mikrostrukturi,
povr{ine. Cilj tega dela je bil opredeliti spremembe v velikosti in porazdelitvi faz.
povr{inski plasti po laserskem pretaljevanju. Lasersko Vollmer in Hornbogen2 sta raziskala razli~ne
pretaljevanje tanke povr{inske plasti uvr{~amo med aluminijeve zlitine s silicijem, in sicer dve podevtekti~ni,
postopke utrjevanja povr{in, ki povzro~ijo pove~ano evtekti~no in nadevtekti~no zlitino. Pri razli~nih vnosih
trdoto materiala in s tem tudi pove~ano obrabno energije, ki so jih zagotovili z razli~nimi gostotami mo~i
odpornost in je pri {tevilnih zlitinah, ki do temperature in razli~nimi interakcijskimi ~asi, so opredelili utrjevanje
taljenja nimajo faznih sprememb, edini postopek trdne raztopine. Conquerelle je s soavtorji3 raziskoval
utrjevanja. Zato smo raziskovali u~inke laserskega aluminijeve zlitine s silicijem z vidika velikosti
utrjevanja s pretaljevanjem tanke povr{inske plasti kristalnih zrn trdne raztopine pri razli~nih vnosih
izbranih aluminijevih zlitin. Z izbiro ustreznega energije glede na konstantno gostoto mo~i in razli~ne
energijskega vnosa lahko dose`emo hitro lokalno hitrosti pomika obdelovanca. Obrabna odpornost zlitin je
segrevanje materiala nad temperaturo taljenja, kar po bila opredeljena z vidika porazdelitve velikosti
samoohlajanju oz. hitrem strjevanju ustvari pretaljeno silicijevih delcev v trdi raztopini aluminija in silicija ter
plast, sestavljeno iz drobno porazdeljene trde faze v z vidika razli~ne stopnje prekrivanja laserskih sledi. Z
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5 327
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
Cilj na{e naloge je bil raziskati povr{insko utrjevanje
aluminijevih zlitin s silicijem in s pretaljevanjem tanke
povr{inske plasti dose~i zelo drobno in homogeno
mikrostrukturo z enakomerno in pove~ano trdoto. Na
sliki 1 je v shemati~ni obliki prikazan postopek
laserskega pretaljevanja tanke povr{inske plasti s
konstantnim pomikom laserskega snopa v smeri osi x.
Segrevanje povr{inske plasti materiala je odvisno od
razmerja med absorbirano lasersko energijo in toplotno
energijo odvedeno s povr{ine. ^e je razmerje med
Slika 1: Shema laserskega pretaljevanja vneseno energijo laserskega snopa in odvodom toplotne
Figure 1: Sheme of the laser remelting energije dovolj visoko, temperatura v povr{inski plasti
materiala hitro zraste, material se stali ali celo upari.
Globina pretaljene povr{inske plasti je odvisna od
gostote mo~i laserskega snopa na povr{ini obdelovanca,
mikrostrukturo in mikrokemi~no analizo so pojasnili interakcijskega ~asa ti in od fizikalnih lastnosti materiala
obrabne mehanizme z vidika mikroplasti~ne deformacije obdelovanca, kot so: toplotna prevodnost l, specifi~na
mehke osnove in katastrofalnih poru{itev silicijevih toplota cp, talilna toplota in gostota materiala r.
kristalov. Hitro kaljenje in ohlajanje oziroma hitro
strjevanje privede do nastanka metastabilnih
mikrostruktur, ki so nosilke pomembnih tehnolo{kih 2 EKSPERIMENTALNI POSTOPEK
lastnosti, kot so: visoka trdota, obrabna in pogosto tudi
pove~ana korozijska odpornost. Hitro strjevanje je 2.1 Materiali
dose`eno z ga{enjem zaradi odvoda toplote v hladen del V tabeli 1 so prikazane izbrane aluminijeve zlitine s
materiala z mnogo ve~jo maso. Postopek je ~ist, silicijem in z drugimi legirnimi elementi. Mikrostrukturo
enostavnej{i, bolj prakti~en in cenej{i kot pri klasi~nih smo analizirali v litem stanju in po pretaljevanju tanke
postopkih toplotne obdelave4. povr{inske plasti. Sestava mikrostrukture pri obravna-
Slika 2: Pove~ava 100-kratna. Mikrostrukture raziskanih aluminij- silicijevih zlitin pred lasersko obdelavo: AlSi5 (A); AlSi12 (B); AlSi8Cu3
(C) in AlSi12NiCuMg (D)
Figure 2: Magn. 100x. Microstructure of the investigated aluminium- silicon alloys before the laser treatment: AlSi5 (A); AlSi12 (B); AlSi8Cu3
(C)n and AlSi12NiCuMg (D)
328 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
vanih zlitinah je naslednja: trdna raztopina, evtektik in
intermetalne spojine.
Tabela 1: Kemi~na sestava in mikrotrdota aluminij - silicijevih zlitin
Table 1: Chemical composition and microhardness of aluminium -
silicon alloys
ZLITINA KEMI^NA SESTAVA (%) TRDOTA
Si Fe Mn Mg Cu Ni Ti HV1,0
AlSi5 4,76 0,17 0,11 0,01 - - 0,012 52
AlSi12 12,5 0,24 0,25 - - - 0,009 63
AlSi8Cu3 7,7 - 0,4 - 3,5 - - 76
AlSi12NiCuMg 12 0,01 0,01 1,04 0,93 0,9 0,013 102 Slika 3: Gori{~e laserskega snopa
Figure 3: Laser beam focus
Zlitina AlSi5 je podevtekti~na. V mikrostrukturi
prevladujejo kristalna zrna trdne raztopine aluminija s
silicijem, malo je {e evtektika iz trdne raztopine in iglic laserskega izvira P in defokusno razdaljo zbiralne le~e
ali lamel silicija. Zlitina AlSi12 je evtekti~na, zlitina laserske glave zs. Na kvaliteto pretaljene plasti lahko
AlSi12CuNiMg pa podevtekti~na in vsebuje poleg vplivamo s spreminjanjem naslednjih parametrov: mo~
silicija {e razli~ne intermetalne spojine, ki pove~ujejo laserskega izvira P [W]; defokusna razdalja zS [mm], ki
trdoto zlitine, npr.: Al8Si6Mg3Fe in Al3Ni. Aluminijeva definira velikost sledi Db [mm] na povr{ini obdelovanca;
zlitina s 7% silicija in 3% bakra je podevtekti~na zlitina hitrost pomika laserskega snopa in/ali obdelovanca v b
z mikrostrukturo trdne raztopine aluminija, silicija in [mm/min].
bakra ter faze Al2Cu. Na osnovi podatkov o izbranih gostotah mo~i
Najni`jo trdoto 51 HV1,0 ima zlitina AlSi5, evtekti~na oziroma vneseni energiji smo glede na izra~une po
zlitina AlSi12 ima trdoto 63 HV1,0, zlitina z bakrom 76 ena~bah dolo~ili pogoje, ki zagotavljajo zadostno
HV1,0, zlitina s Cu, Ni, Mg pa ima trdoto 102 HV1,0. koli~ino vnesene energije, potrebne za pretaljevanje
Mikrostrukturne slike obravnavanih aluminijevih zlitin povr{ine.
so prikazane na sliki 2. Laserski snop po izstopu iz generatorja laserske
svetlobe usmerimo in fokusiramo z zrcali in le~ami.
2.2 Pogoji laserskega pretaljevanja Opti~ne zakonitosti fokusiranja svetlobe laserskega
snopa z Gaussovo porazdelitvijo mo~i prikazuje slika 3.
Preizkuse laserskega utrjevanja s pretaljevanjem
Premer laserskega snopa v gori{~u izra~unamo iz
tanke povr{inske plasti smo opravili na sistemu SPEC-
ena~be:
TRA PHYSICS 820 s karakteristikami, podanimi v
tabeli 2. Predhodne preskuse smo napravili v razmerah, 4⋅λ ⋅ f
Df =
ki so bile navedene v strokovni literaturi. Na osnovi π ⋅ Di
poznanih odvisnosti za gostoto mo~i in vnos energije
smo izra~unali optimalne razmere za nataljevanje. Di [mm] premer izhodnega laserskega snopa
Gostota mo~i je odvisna od izbrane mo~i laserskega f [mm] gori{~na razdalja zbiralne le~e
izvira in od premera laserske sledi na povr{ini l [mm] valovna dol`ina laserske svetlobe
obdelovanca: zS[mm] defokusna razdalja
Premer laserskega snopa na defokusni razdalji
4⋅P
Q= [W/cm ]
2
izra~unamo iz:
π ⋅ Db
2
   z  2    
2

4⋅ λ ⋅ zs
P [W]... - mo~ laserskega izvira Db = D f ⋅  1 +  s    = D f ⋅  1 +   
   zr    
 π⋅Df
2
Db [mm]... - velikost sledi na povr{ini obdelovanca     
 
Vnesena energija "E" pa je definirana z razmerjem
dovedene energije na enoto povr{ine Izbrani so bili naslednji eksperimentalni parametri:
4⋅P mo~ laserskega snopa... P = 1300, 1400 in 1500 W
E= 2
[J/mm ]
π ⋅ v b ⋅ Db defokusna razdalja... zS = 8, 9 in 10 mm
hitrost pomika
pri ~emer je: laserskega snopa... vb = 200, 300 in
vb [mm/min]... - hitrost pomika laserskega snopa 400 mm/min
in/ali obdelovanca
Literatura navaja, da je potrebna gostota mo~i za 2.3 Priprava povr{ine vzorcev z absorberjem
pretaljevanje povr{ine aluminijevih zlitin s silicijem in
drugimi legirnimi elementi med 105 do 106 W/mm2 (5,6). Absorptivnost je definirana kot razmerje med
V ena~bi za gostoto mo~i Q smo spreminjali mo~ absorbiranim in vpadnim energijskim tokom in se
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5 329
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
pove~uje z nara{~anjem temperature na povr{ini absorpcijske sposobnosti pri razli~nih temperaturah
materiala vzorca. Aluminij in aluminijeve zlitine imajo utrjenega premaza smo izbrali naslednje eksperimentalne
slabo absorptivnost za lasersko svetlobo. Zato je treba na pogoje:
povr{ino aluminijevih zlitin pred laserskim – mo~ laserskega izvira P = 1500 W
pretaljevanjem nanesti ustrezno absorpcijsko sredstvo. – hitrost pomika laserskega snopa vb = 350 mm/min
Zato smo uporabili premazno sredstvo na osnovi – defokus zS = 9 mm.
silikonske smole z dodatkom pigmenta, obstojnega do Na opti~nem merilnem mikroskopu smo izmerili
temperature 650°C. Premazno sredstvo je bilo v obliki globino in {irino lasersko pretaljene enojne sledi. Na
goste teko~e smole. Na povr{ino materiala smo ga v sliki 4 je prikazana pretaljena plast z ozna~eno {irino wp
plasti z debelino okoli 10 mm nanesli s ~opi~em. Z in globino hp.
absorpcijskim premazom smo dosegli mo~no pove~ano
absorpcijo laserske svetlobe in vnos energije, ki ustreza
izra~unani vrednosti.
V tabeli 2 so prikazane posamezne zna~ilnosti
laserskega sistema, na katerem smo izvajali utrjevanje s
pretaljevanjem povr{inske plasti.
Tabela 2: Parametri laserskega obdelovalnega sistema
Table 2: Parameters of the laser processing system
Tip laserja CO2 laser
Valovna dol`ina laserske λ = 10,6 µm
svetlobe
Maksimalna mo~ laserskega P = 1540 W
izvira
Premer izhodnega laserskega Di = 19 mm
snopa
Premer laserskega snopa v Df = 0,0902 mm
gori{~ni to~ki
Struktura moda TEM00
Za{~itni plin argon pri tlaku 0,2 bara
3 EKSPERIMENTALNI REZULTATI
3.1 Velikost pretaljene plasti
Utrjevanje premaznega sredstva je bilo opravljeno pri
temperaturi okolice (Tok) in pri temperaturah 100, 150,
200 in 250°C. Po priporo~ilu proizvajalca smo izbrali
enoten ~as utrjevanja, eno uro. Sledilo pa je polurno
ohlajanje v izklju~eni pe~i in nato {e pri temperaturi
okolice na mirnem zraku. Cilj razli~nih razmer pri
utrjevanju termostabilnega smolnega premaza je bil
preu~iti njegovo absorpcijsko sposobnost za lasersko
svetlobo in s tem tudi ugotoviti vpliv na velikost
pretaljene plasti po pretaljevanju. Povr{ina se po
utrjevanju na videz ni spremenila. Po zagotovilih
proizvajalca absorber v procesu pretaljevanja izpari in ne
vpliva na nastanek pretaljene plasti. Za preizkus
Slika 5: Velikost pretaljene plasti po laserskem pretaljevanju zlitin
AlSi5, AlSi12, AlSi8Cu3 in AlSi12NiCuMg v odvisnosti od
temperature utrjevanja absorberja pri danih obdelovalnih pogojih
pretaljevanja: P = 1500W, vb = 350 mm/min in zS = 9 mm
Figure 5: Size of the layer obtained by after laser remelting AlSi5,
AlSi12, AlSi8Cu3 and AlSi12NiCuMg versus solidification
Slika 4: Pre~ni prerez vzorca s pretaljeno lasersko plastjo temperature of the absorber in the given remelting conditions: P =
Figure 4: Cross-section of the specimen with the remelted laser trace 1500W, vb = 350 mm/min and zS = 9 mm
330 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
Tabela 3: Zlitina AlSi12. Globine in {irine pretaljene plasti pri razli~nih pogojih laserskega utrjevanja
Table 3: Alloy AlSi12. Depth and width of remelted layer at different experimental conditions
MATERIAL: HITROST POMIKA VZORCA/SNOPA vb (mm/min)
AlSi12 400 300 200
P...mo~ laserskega izvira VELIKOST LASERSKE SLEDI; wP (mm), hP (mm)
zs...defokusna razdalja wp hp wp hp wp hp
P= 1500W zs=8mm 1,61 0,47 1,88 0,64 2 0,74
zs=9mm 1,94 0,69 2,02 0,76 2,47 1,05
zs=10mm 2,09 0,55 2,19 0,82 2,39 0,95
P=1400W zs=8mm 1,63 0,54 1,74 0,64 2,05 0,81
zs=9mm 1,74 0,58 1,97 0,73 2,4 1,05
zs=10mm 1,94 0,68 1,95 0,74 2,42 0,96
P=1300W zs=8mm 1,53 0,52 1,7 0,65 2,01 0,82
zs=9mm 1,88 0,7 1,96 0,75 2,27 0,94
zs=10mm 1,96 0,73 2,18 0,85 2,91 1,31
Na sliki 5 je prikazan vpliv temperature utrjevanja – Najmanj{a {irina plasti je bila dose`ena v zlitini
absorberja na {irino in globino pretaljene plasti. Najve~ja AlSi5, in sicer wp=2,3 mm
je pretaljena sled po utrjevanju absorberja med 100 in – Najmanj{a globina plasti je bila dose`ena v zlitini
150°C. Pri zlitini AlSi12 in AlSi8Cu smo dobili najve~jo AlSi5, in sicer hp=2,2 mm
sled, ~e je bil absorber utrjen pri ni`ji temperaturi, okoli – Razlika med najve~jo {irino in globino pretaljene
plasti pri vzorcih z absorberjem, utrjenim pri
100°C, pri zlitinah AlSi5 in AlSi12CuNiMg pa pri
temperaturi okolice, in tistim, utrjenim na
temperaturi utrjevanja absorberja okoli 150°C.
temperaturi 100-150°C, je bila 14%.
V nekaterih primerih je bila velikost pretaljene plasti
V tabeli 3 so prikazane {irine in globine pretaljene
pri vi{ji temperaturi utrjevanja absorberja enaka ali celo plasti za razli~no mo~ snopa in pomik vzorca AlSi12.
ni`ja kot po utrjevanju absorberja pri temperaturi Najmanj{o {irino pretaljene sledi wp=1,53 mm smo
okolice. Druge ugotovitve: dobili pri najmanj{i mo~i in najve~ji hitrosti pomika
– Najve~ja {irina plasti je bila dose`ena v zlitini laserskega snopa vb=400 mm/min, najve~jo {irino
AlSi12CuNiMg, in sicer wp=2,5 mm pretaljene sledi wp=2,91 mm pa pri najmanj{i hitrosti
– Najve~ja globina plasti je bila dose`ena v zlitini pomika laserskega snopa vb=200 mm/min. Drugi, zelo
AlSi12CuNiMg, in sicer hp=2,45 mm pomemben podatek je globina pretaljene sledi hp, ki se
Slika 6: Globina pretaljene povr{inske plasti hp v odvisnosti od vnosa energije za zlitino AlSi12
Figure 6: Depth of the remelted surface layer hp versus energy input for alloy AlSi12
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5 331
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
giblje od najmanj{e 0,47 mm do najve~je 1,31 mm. spremembo dendritov ter dele`em evtektika. Nastala
[irina pretaljene sledi je znatno ve~ja od globine, in sicer mikrostruktura v pretaljeni plasti je zelo drobna in
kar za faktor tri do {tiri. Podatki v tabeli 3 povedo, da so enakomerna.
nastala odstopanja dovedenih mo~eh pri isti mo~i S spremembo hitrosti pomika obdelovanca in/ali
laserskega izvira in isti hitrosti pomika laserskega snopa laserskega snopa smo spreminjali tudi globino pretaljene
med razli~nimi defokusnimi razdaljami. Razmere pri plasti. To spreminja velikost in smer vektorja odvoda
pretaljevanjau so bile zelo stabilne, zato menimo, da je toplote in vektor hitrosti strjevanja taline na mejni
do odstopanj v globinah pretaljenih sledi lahko pri{lo le povr{ini in v kon~ni fazi spreminja mikromorfologijo
zaradi zmanj{anega u~inka absorpcijskega nanosa. evtektika. Na sliki 7 je prikazan presek enojne pretaljene
Napake zaradi merjenja velikosti pretaljenih sledi lahko plasti pri zlitini AlSi12. [irina in globina pretaljene
izklju~imo, ker so bile meritve izvedene pri pravih plasti je odvisna od razmer in se lahko spreminjajo v
pove~avah in z merilnikom, ki omogo~a to~nost meritev {irokem razponu. Pretaljena povr{ina je enakomerna,
na mikrometrski skali. malo hrapava in primerna za {tevilne aplikacije.
Na sliki 6 je prikazano spreminjanje globine Na sliki 8 je prikazana mikrostruktura podevtekti~ne
pretaljene plasti v odvisnosti od vnosa energije za plasti, zlitine AlSi8Cu3. Pretaljeno plast lahko popi{emo z
nastale pri razli~nih hitrostih pomika laserskega snopa, dvema conama:
in sicer za ni`ji vnos energije (vb=400 mm/min), srednji – pretaljena cona
vnos energije (vb=300 mm/min) in najvi{ji vnos energije – prehod med pretaljeno cono in osnovno mikrostruk-
pri najmanj{i hitrosti pomika laserskega snopa vb=200 turo.
mm/min. Najve~ji vpliv na nastalo globino ima hitrost Stereolo{ko analizo smo izvr{ili z merjenjem
pomika laserskega snopa, medtem ko je manj{i vpliv interceptne dol`ine dendritov. To meritev smo opravili
stopnje defokusa. Zaradi razli~nih stopenj defokusa je bil na posnetkih iz elektronskega mikroskopa pri
premer laserskega snopa na povr{ini od 1,2 do 1,4 mm, 7500-kratni pove~avi. Pri tej pove~avi smo lahko dovolj
medtem ko je bila dose`ena {irina pretaljene plasti wp od zanesljivo merili interceptne dol`ine okoli 0,5 mm, kar
1,61 do 2,91 mm. Lahko torej ugotovimo, da se zaradi popolnoma ustreza zahtevam opisa mikrostrukturnih
prevajanja toplote v hladen material vzorca pove~a {irina razlik. Na sliki 9 je prikazana porazdelitev velikosti
pretaljene plasti do 30% pri najmanj{ih vnosih energije interceptnih dol`in za dendrite trdne raztopine v zlitinah.
do 110% pri najve~jih vnosih. Najmanj{e {tevilo meritev interceptnih dol`in je bilo od
51 za zlitino AlSi5 in najve~je do 77 za zlitino
3.2 Mikrostruktura v pretaljeni povr{inski plasti AlSi12CuNiMg. Najve~je interceptne dol`ine okrog 6
mm smo izmerili pri podevtekti~ni zlitini AlSi5.
Makro- in mikrostrukturno analizo pretaljene plasti
Povpre~ne interceptne dol`ine pri posameznih zlitinah se
smo naredili le na vzorcih z enojno sledjo. Zaradi zelo
mo~no razlikujejo in je najni`ja v evtekti~nih zlitinah
hitrega odvajanja toplote v notranjost se je material na
AlSi12 in AlSi12CuNiMg in podevtekti~ni zlitini
povr{ini strdil zelo hitro. Usmerjenost zelo drobnih
AlSi8Cu3. Znatno ve~ja pa je povpre~na interceptna
dendritov trdne raztopine definira vektor odvoda toplote
dol`ina pri podevtekti~ni zlitini AlSi5 in je med 2,5 in
na mejni povr{ini med talino in trdno zlitino. V pretaljeni
3,0 mm.
plasti nastane nova mikrostruktura, ki jo opi{emo s
Izmerjene interceptne dol`ine so bile pri zlitini AlSi5
v obmo~ju med 0,5 in 6 mm, medtem ko je pri drugih
zlitinah obmo~je znatno ni`je, in sicer od 0,5 do 3,5 mm
oziroma 4,5 mm. Porazdelitev in velikost silicijevih
Slika 7: Pove~ava 40-kratna. Mikrostruktura na pre~nem prerezu
pretaljene plasti za zlitino AlSi12. Pogoji pretaljevanja: P = 1500W;
zs= 8mm; vb = 400mm/min Slika 8: Pove~ava 200-kratna. Mikrostruktura na pre~nem prerezu v
Figure 7: Magn. 40x. Microstructure on the cross-section of the prehodnem podro~ju med pretaljeno cono in osnovnim materialom
remelted layer for the alloy AlSi12. Remelting conditions: P = Figure 8: Magn. 200x. Microstructure on the cross-section in the
1500W; zS = 8 mm; vb =400 mm/min transition area between the remelted layer and the base material
332 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
Slika 9: Porazdelitev interceptnih dol`in za dendritna zrna matriksa.
Pogoji pretaljevanja: P=1500W, zS=8mm, vb=400mm/min
Figure 9: Distribution of the intercepting lengths on matrix dendrite
grains. Remelting conditions: P=1500W, zS=8mm, vb=400mm/min
kristalov in trdota matriksa dolo~ajo mehanske lastnosti
in obrabno obstojnost pretaljene povr{inske plasti.
Dodatno pa v zlitini AlSi8Cu3 in v zlitini
AlSi12NiCuMg vplivajo na mikrostrukturo in mehanske
lastnosti pretaljene plasti tudi izlo~ki intermetalnih
Slika 11: Pove~ava 200-kratna. Mikrostruktura pretaljene plasti na
izbranih mestih. Zlitina: AlSi12. Pogoji pretaljevanja: P=1500W;
zS=8mm, vb=200mm/min
Figure 11: Magn. 200x. Microstructure on the selected spots. Alloy:
Slika 10: Izbrana mesta za stereolo{ko analizo pretaljene plasti AlSi12. Remelting conditions: P=1500W; zS=8mm, vb=200mm/min
Figure 10: Selected spots for stereologic analysis of the remelted
layer
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5 333
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
spojin, ki so bile pod lo~ljivostjo posnetkov v elektron- hp=1,3mm. Podobno kot pri prej{njih dveh zlitinah
skem mikroskopu in mo~no pove~ujejo trdoto. tudi v tej zlitini dose`emo porast mikrotrdote v
Na sliki 10 so prikazana mesta, na katerih smo osrednjem delu pretaljene plasti v globini med 350
opravili mikrostrukturno analizo pretaljene plasti (mesto in 450 mm pri obeh ve~jih hitrostih pomika
c) in prav tako analizo mikrostrukture na prehodu med laserskega snopa in med 600 in 1100 mm pri najni`ji
pretaljeno in osnovno mikrostrukturo (mesto a, b in d). hitrosti pomika. Najve~jo utrditev smo na{li v
Na sliki 11 so prikazane mikrostrukture v to~kah, spodnjem delu pretaljene plasti.
kjer je bila izvr{ena stereolo{ka analiza zlitine AlSi12.
Na prehodu med pretaljeno cono in osnovnim
materialom na mestu "b" je nastalo podro~je z izrazito
usmerjenostjo dendritov. Manj izrazito pa je dendritno
strjevanje na nasprotni strani na mestu "a" in je podobno
strjevanju v osrednjem delu pretaljene plasti na mestu
"c". Na spodnjem delu pretaljene plasti na mestu "d" pa
lahko ugotovimo, da strjevanje poteka pri podobnih
ohlajevalnih razmerah kot na mestu "b". Zaradi zelo
velikih hitrosti strjevanja nastaja prenasi~ena trdna
raztopina, kar pove~uje trdoto pretaljene plasti.
3.3 Mikrotrdota v pretaljeni plasti
Mikrotrdota je bila izmerjena po Vickersovi metodi
po globini osrednjega dela pretaljene plasti v dveh vrstah
z zamikom odtiskov med njima in z zamiki med vtiski
po globini v velikosti {tirih diagonal vtiska. Trdota je
bila izmerjena pri obremenitvi 1N z najmanj 10 vtiski
znotraj pretaljene plasti. Na sliki 12 so prikazane
mikrotrdote za vse obravnavane zlitine. Vnos energije je
bil za posamezne zlitine razli~en in smo ga spreminjali z
razli~nimi hitrostmi laserskega snopa po povr{ini vzorca.
Iz odvisnosti na sliki 12 lahko ugotovimo naslednje:
– Potek mikrotrdote po globini pretaljenih plasti je za
posamezne vrste zlitin zelo podoben. Od koli~ine
vnesene energije pa je odvisna globina s pove~ano
trdoto, zato je pri manj{ih hitrostih pomikov laserske
svetlobe po povr{ini vzorca dose`ena ve~ja globina
pretaljene plasti in s tem tudi ve~ja globina z
enakomerno in pove~ano trdoto.
– Najni`ja mikrotrdota v pretaljeni plasti med 60 in 65
HV0,1 v odvisnosti od segrevanja in ohlajanja je
dose`ena v zlitini AlSi5. Mikrotrdota podevtekti~ne
zlitine se je pove~ala od 52 HV0,1 v izhodi{~ni zlitini
na 62 HV0,1 v pretaljenem stanju. Pove~anje mikro-
trdote dosega okoli 20%.
– Po pretaljevanju evtekti~ne zlitine AlSi12 in zlitine
AlSi8Cu3 je potek mikrotrdote zelo podoben. Dose-
`ena mikrotrdota je okoli 100 HV0,1, kar pomeni za
30 do 40% pove~anje mikrotrdote zlitine glede na
izhodi{~no stanje. To pove~anje pripisujemo
enakomerni porazdelitvi drobnih delcev silicija in
prenasi~enemu matriksu. Mikrotrdota je nekoliko
ve~ja v notranjosti pretaljene plasti kot tik ob
povr{ini.
– V zlitini AlSi12NiCuMg dose`emo po pretaljevanju Slika 12: Potek mikrotrdote za tri hitrosti pomika vzorca. Aluminijeve
zlitine: AlSi5; AlSi12; AlSi8Cu3 in AlSi12NiCuMg. Pogoji
povr{inske plasti maksimalno mikrotrdoto do 160 pretaljevanja: P=1500W; zS=10mm
HV0,1 in povpre~no mikrotrdoto okoli 140 HV0,1. Figure 12: In depth microhardness for the remelted layer by three
Najve~ja globina pretaljene plasti je pri hitrosti travelling rates. Aluminium alloys: AlSi5; AlSi12; AlSi8Cu3 and
pomika laserskega snopa vb=200mm/min in je okoli AlSi12NiCuMg, Remelting conditions: P=1500W; zS=10mm
334 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 5
J. GRUM, S. BO@I^: INTEGRITETA POVR[IN PRI LASERSKEM PRETALJEVANJU....
4 SKLEPI Vse te ugotovitve potrjujejo sklep, da je lasersko
utrjevanje s pretaljevanjem tanke povr{inske plasti
S pomikom laserske svetlobe po povr{ini vzorca aluminijevih zlitin kakovosten in sodoben proces, ki
dose`emo hitro segrevanje, taljenje in strjevanje mate- zagotavlja tr{o povr{ino in ohrani `ilavo jedro.
riala. Utrjevanje zaradi hitrega strjevanja je ~ist,
enostaven, prakti~en in cenen postopek v primerjavi z 5 LITERATURA
drugimi postopki povr{inske toplotne obdelave. 1
Luft U., Bergmann W., Mordike B. L.: Laser Surface Melting of
Naslednje ugotovitve potrjujejo u~inkovitost laserskega Aluminium Alloys; Paper presented at the European Conference on
utrjevanja s pretaljevanjem tanke povr{inske plasti: Laser Treatment of Materials, Bad Nauheim 1986, Laser Treatment
– Laserski snop pri izbranih parametrih obdelave of Materials, Eds.: B. L. Mordike, DEM Informationsgeseelschaff
omogo~a zelo intenziven vnos energije na povr{ino Verlag, Oberursel 1987, 147-163
2


Use: 0.2029