Jacek Borowski

Stosowanie nowych materiałów związane jest z możliwością modyfikacji stopów w całej objętości i w strefach przypowierzchniowych. Zmiany właściwości warstwy wierzchniej metalowych elementów mają za zadanie głównie zwiększenie odporności na zużycie i zwiększenie odporności na działanie wysokiej temperatury. Jest to obszar nauki dynamicznie rozwijający się w ostatnich latach. Z danych przedstawionych w literaturze [1] wynika, że w strukturze wyrobów ze stopów aluminium następuje istotny wzrost udziału wyrobów wyciskanych kosztem zmniejszenia udziału odlewów. Światowe badania zmierzają do opracowywania nowych procesów technologicznych w zakresie obróbki cieplno-plastycznej stopów metali nieżelaznych, precyzyjnego odlewania ciśnieniowego nowych stopów aluminium i magnezu poddawanych po odlaniu obróbce cieplnej (utwardzaniu dyspersyjnemu), bądź obróbce powierzchniowej polegającej na pokryciu wyrobu odpornymi na korozję i twardszymi fazami (np. Al₂O₃). Na istotną rolę w podejmowaniu decyzji o wyborze materiału i technologii jego obróbki zwrócili uwagę Sweeney i Grunewald w swojej pracy [2]. Na podstawie analizy kosztów wytwarzania prostej części karoserii samochodu wykonanej z stopu aluminium wykazali oni, że koszt materiału wynosi 62% całości kosztów wyrobu a dalsze 28% pochłaniają koszty badań laboratoryjnych. Koszty narzędzi i koszty konserwacji nie przekraczają 1%. Wynika z tego, że dla prostych części obniżenie kosztów wyrobów wytwarzania można uzyskać przede wszystkim przez zastosowanie tańszych materiałów konstrukcyjnych, trudno jest natomiast uzasadnić celowość wdrożenia technologii wykorzystującej drogie materiały nawet o znacznie lepszych parametrach oraz obróbki istotnie podwyższającej koszty produkcji. 

W odlewniczych stopach aluminiowych stosuje się modyfikację w celu rozdrobnienia igieł krzemu, których wielkość decyduje o wytrzymałości na rozciąganie i odporności na pękanie. Dla poprawy własności po odlaniu i wstępnej obróbce skrawaniem stopy aluminium są poddawane utwardzaniu dyspersyjnemu. Trwałość elementów aluminiowych można zwiększyć poprzez pokrycie cienkimi warstwami: TiN, Ni i SiC co chroni na przykład przed mikrozgrzewaniami w połączeniu tarciowym. W celu zwiększenia twardości powierzchni odlewu ze stopów aluminium stosuje się np. anodowanie w celu wytworzenia na powierzchni wyrobu szczelnie przylegającej warstewki Al2O3. Bardziej wyrafinowanymi sposobami modyfikacji warstwy wierzchniej będącymi jeszcze w trakcie badań laboratoryjnych są np. laserowa obróbka cieplna [3], obróbka cieplno-chemiczna czy też metody PVD. Rozwój i popularyzacja obróbki laserowej spowodowało, że wykorzystanie tego źródła ciepła stało się dość powszechną technologią. 

W obróbce metali wykorzystuje się lasery o mocy w zakresie od 0,5-10 kW, które uzyskują wymaganą gęstość mocy rzędu 104-105 W/cm2, ponieważ zastosowanie mocy poniżej 104 W/cm2 nie powoduje przetopu obrabianego materiału tylko go podgrzewa. W zakresie mocy 104-106 W/cm2 następuje przetop bez ubytku masy, natomiast w przedziale od 104-106W/cm2 występuje ubytek masy spowodowany parowaniem materiału.

Oczekiwane efekty wywołane naświetlaniem wiązką lasera zależą przede wszystkim od temperatury wytworzonej na powierzchni obrabianej, czasu naświetlania i czasu chłodzenia, a także od własności materiału. Własności tych wielkości zależą z kolei od takich czynników jak: rodzaj lasera i parametrów wiązki (moc i średnica), prędkość przesuwu itd. W obróbce tej ważnym parametrem jest temperatura, dlatego w literaturze można spotkać kilka zależności parametrów mających na nią wpływ. Przykładem takiego wzoru może być zależność na maksymalną wartość temperatury T :

 

 

 

gdzie: (η – Współczynnik pochłaniania promieni lasera poprzez pokrycie; P – moc wiązki laserowej; λ – średnica przewodzenia ciepła poprzez materiał naświetlany; r – średnica wiązki laserowej; α –uogólniona prędkość przesuwu wiązki α =  v – prędkość przesuwu wiązki α – dyfuzyjność cieplna naświetlonego materiału powiązana zależnościami z ciepłem właściwym, współczynnikiem λ i gęstością ρ obrabianego materiału) [4].

Można stwierdzić, że temperatura warstw podpowierzchniowych naświetlonego materiału zależy przede wszystkim od ilości dostarczonej do materiału energii podczas naświetlania, a ilość tej energii na jednostkę naświetlonej powierzchni jest proporcjonalna do gęstości mocy wiązki laserowej oraz do czasu jej działania. Sterując tymi dwoma parametrami można wywołać różną temperaturę w warstwach podpowierzchniowych naświetlonego materiału. 

Dzięki takiej możliwości jednoczesnego doboru różnych wartości gęstości mocy wiązki i czasu naświetlania możliwe jest realizowanie za pomocą lasera tak różnych procesów technologicznych jak: powierzchniowe hartowanie lub odpuszczanie materiału, platerowanie, wprowadzenie dodatkowych stopów w warstwy przypowierzchniowe, spawanie, morfizacja cienkich stref podpowierzchniowych, cięcie, drążenie [5].

We wszystkich przypadkach zastosowania obróbki przetopieniowej wiązką laserową struktura metali w warstwie wierzchniej jest bardzo jednorodna chemicznie i strukturalnie, jest drobnoziarnista. Metale i ich stopy wykazują dobrą udarność, korzystny rozkład naprężeń własnych oraz dużą twardość i odporność na ścieranie. Trwałość wyrobów i części maszyn po obróbce przetopieniowej może wzrastać niekiedy do pięciu razy w porównaniu z trwałością elementów obrabianych sposobami tradycyjnymi [6].