V y t v á ř e n í a d i a g n o s t i k a p o v r c h o v ý c h z a k a l e ný c h v r s t e v n a o d l i tc í c h z l i t i ny s l u p í n ko v ý m g r a f i t e m
B. Skrbek
Hodnocení struktury a složení výchozí litiny vzorků [4] Metalografické hodnocení struktury vzorků pro vývoj technologie kalení litiny (obr. 1) bylo provedeno na světelném mikroskopu Neophot 21 (Carl Zeiss Jena). Vzorky byly připraveny běžným metalografickým postupem; byly broušeny a leštěny, pro zvýraznění struktury byl použit Nital 3 %. Vzorky litiny byly sledovány dle ČSN 42 0461 jednak ve stavu neleptaném za účelem zjištění tvaru, velikosti a rozložení grafitu a dále ve stavu leptaném, kdy byl sledován charakter základní kovové hmoty. Hodnocení dle ČSN EN ISO 945 (ČSN 42 0461) I C 4/5 - P1 - P 96 - Pd 1,4 - F 1/2 - Fr 1 - Fv 2000, tj. struktura litiny s lupínkovým grafitem o velikosti nad 60 do 250 µm, rozložení grafitu je smíšené. Struktura je dále tvořena lamelárním perlitem o disperzitě nad 1,3 do 1,6 µm a feritem, kterého je více než 2 %, ale jehož obsah nepřesahuje 6 %. Pseudobinární, popř. jemnozrnné ternární fosfidové eutektikum je vyloučeno v jednotlivých útvarech o velikosti do 2000 µm2. Vzorky tvoří litinové hranoly cca 180 × 80 × 55 mm o hmotnosti 7,5 kg jakosti podle původní, nyní dohodové ČSN 42 2430. Na obr. 1 je litinový hranol s experimentálními zakalenými plochami pomocí laseru. Mechanické vlastnosti a chemické složení jsou uvedeny v tab. I a II. Na frézovaných površích byl laserem kalen jeden nebo dva (obr. 1) paralelní pruhy. Většina kalených pruhů byla ještě broušena do hloubky cca 0,2 mm o šířce 25 nebo 47,5 mm. Na řezných teplotně neovlivněných plochách byly tedy měřeny průběhy tvrdosti kalenými vrstvami. Strukturní kompozice zákalů je složitá a stupňuje se s laserem vloženou měrnou energií. Na obr. 2 je profil zakaleného povrchu na rozhraní před kalením hrubované a po kalení broušené plochy. Na obr. 3 je struktura při relativně dobře zakaleném povrchu. Kromě jehlic martenzitu matrici tvoří zbytky feritu a útvar steaditu (fosfidického eutektika). Na obr. 4 jsou vodicí plochy obráběcího stroje vhodné pro povrchové kalení laserem. Měření tvrdosti a hloubky zakalené vrstvy [4] Měření povrchové tvrdosti a hloubky prokalení se provádělo s ohledem na heterogenitu litiny, evropské standardy a deklarovanou tvrdost v jednotkách HV a HRC (obr. 5). Metody měření povrchové tvrdosti a hodnocení hloubky zákalu se ve výsledcích mohou podstatně odlišovat (obr. 6). Tvrdost povrchu vrstev vyznačená v jednotkách HRC, pokud je měřena nepřímo odrazovou metodou (komerčně snadno dostupnými ručními tvrdoměry), dosahuje průměrně o 15 HRC vyšších hodnot než skutečná tvrdost HRC zákalu měřená podle hloubky vtisku předepsaného diamantového kužele zatížením 150 kg. Odrazové tvrdoměry by se měly korigovat na modul pružnosti E materiálu měřeného objektu. Martenzitická litina dosahuje totiž velmi nízkých hodnot E [5]. Měřit povrch je nejvhodnější metodou HV30 stabilními tvrdoměry s platnými certifikáty. Maximální dosahovaná tvrdost povrchu se pohybuje v mezích 600–640 HV vrstev od 0,9 mm tlustých. Pro slabší vrstvy platí závislost vyznačená na obr. 7. Průběh tvrdosti vrstvami je měřen vždy metodami HV5 a HV10. Přesné reprodukovatelné výsledky byly získány několikanásobným měřením na šikmých řezech. Nižší zatížení při měření tvrdosti (HV1) dává zkreslené rozptýlené hodnoty vlivem heterogenity struktur litin.
Obr. 1. Fig. 1.
Obr. 4. Fig. 4.
Obr. 2.
Fig. 2.
Litinový hranol s povrc h ov ý m z a ka l e n í m pomocí laseru Cast-iron prism with laser surface hardening Vodicí plochy obráběcího stroje vhodné pro povrchové kalení laserem Sliding areas of machine tool suitable for laser surface hardening
Profil zakalení na rozhraní před kalením hrubované a po kalení broušené plochy Hardening section on the boundary before hardening of roughed area and after hardening of the grinded one
Obr. 3.
Struktura zakaleného povrchu Structure of hardened surface
Fig. 2.
Pro kvantifikaci tlouštěk vrstev je nutno zvolit vhodné mezní kritérium. Pro povrchově kalené oceli dle ISO 898-1 se k odečtu hloubky vrstvy používá hladiny 450 HV nebo pro nitridované vrstvy se hloubky odečítají v místě nárůstu tvrdosti o 50 HV vůči jádru. Vzhledem ke struktuře kalené litiny a na základě v experimentech získaných dat lze doporučit pro hodnocení tloušťek laserem kalených vrstev předběžně mez 350 HV nebo mez + 50 HV vzhledem k tvrdosti HV podkladu vrstvy metodou HV10 na šikmých řezech. Tab. III porovnává parametry reálných zákalů dle uvedených tří kritérií. Metodou HV10 bylo tak proměřeno cca 60 průběhů tvrdosti vzorků. Obr. 8 a 9 ukazují běžný průběh tvrdosti vrstvou a průběh povrchové tvrdosti napříč dvojitou stopou. Parametry kalení jsou nastaveny na minimalizaci popuštění (tab. III).
Tab. I. Tab. I.
Mechanické vlastnosti vzorků [6] Mechanical properties of samples [6]
Vzorek hranol
tvrdost HB
L [mm]
1
184
85,5
145418
243
2
203
85,5
146250
269
5
185
103,6
142210
237
Tab. II. Tab. II.
Eo [MPa] (vypočtené)
Rm [MPa] (vypočtené)
Chemické složení vzorků Chemical composition of samples
Prvky obsah [%]
C
Si
Mn
P
S
SE
3,19
1,42
0,77
0,044
0,052
0,841
S l é vá re ns t v í . L X I V . z á ř í – ř í j e n 2016 . 9 –10
361
53. S L É VÁ R EN SK É D N Y® – V Y B R A N É P Ř ED N Á ŠK Y
25 mm široký při výkonu laseru několik kW. Teplota je řízena kalibrovaným pyrometrem, aby nedocházelo k natavení povrchu. O hloubce zákalu rozhoduje rychlost posuvu (desítky mm/ min), hodnota tvrdosti závisí na teplotě ohřevu a složení matrice [3]. Při indukčním kalení dochází k „vyhoření“ grafitu na povrchu. Změny drsnosti povrchu vedou ke kolísání teploty.