22 kwietnia 2018
 

Stopy aluminium pierwsze masowe zastosowanie znalazły w budowie samolotów. Wyraźny wzrost udziału stopów aluminium i magnezu w produkcji przemysłowej można tłumaczyć stosunkową niską ceną w odniesieniu do wytrzymałości właściwej (stosunek wytrzymałości na rozciąganie Rm do ciężaru właściwego r [g/cm3]); sprzyja temu doskonalsze opanowanie techniki wytwarzania stopów aluminium, kompozytów na osnowie aluminium. 

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 :
 
 
 

wzor

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].

Czytaj także:

Technologia spawalnia stopów aluminium metodą MIG Technologia spawalnia stopów aluminium metodą MIG
Większość stopów aluminium to materiały spawalne, mimo trudności związanych z błyskawicznym...
Spawanie TIG stali nierdzewnych Spawanie TIG stali nierdzewnych
Przemysłowe spawanie TIG wymaga aby rysy szlifierskie na elektrodzie wolframowej były wzdłużne (nie...
Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania stali Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania stali
Na dzisiejszym rynku prawie wszyscy światowi producenci materiałów spawalniczych sprzedają te same materia...
Spawanie laserowe tworzyw sztucznych do wyrobu elementów konstrukcyjnych. Część I Spawanie laserowe tworzyw sztucznych do wyrobu elementów konstrukcyjnych. Część I
W ciągu ostatnich lat zastosowanie laserów podczerwieni do spawania tworzyw sztucznych stało się...