Studium reálné struktury laserem navařené nástrojové ocele

K. Trojan¹, J. Čapek¹, J. Čech², V. Ocelík³, N. Ganev¹

¹Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, České vysoké učení technické, Trojanova 13, 120 00 Praha 2, Česká Republika

²Katedra materiálů, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, České vysoké učení technické, Trojanova 13, 120 00 Praha 2, Česká Republika

³Department of Applied Physics, Zernike Institute for Advanced Materials, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, The Netherlands

karel.trojan@fjfi.cvut.cz

Cílem tohoto příspěvku je popsat reálnou strukturu laserem navařené nástrojové ocele AISI H13. Byl vytvořen návar z pěti vrstev, na kterém byla následně charakterizována mikrostruktura a fázové složení rentgenovou difrakcí. V rámci tloušťky navařeného kovu byla nalezena oblast s výrazně nižší tvrdostí a odlišnou mikrostrukturou, což by mohlo negativně ovlivnit vlastnosti nově vytvořeného objemu.

Nástrojová ocel AISI H13 pro práci za tepla je jedním z běžných materiálů používaných v průmyslu pro výrobu forem, zápustek nebo ozubených kol. Formy během své životnosti trpí silným poškozením v důsledku termodynamického namáhání [1]. Proto byly vyvinuty různé způsoby jejich oprav, které jsou levnější než výroba nových forem. Velkou výhodou laserového navařování je vysoká produktivita s minimálním vlivem díky nízkému vnesenému teplu do základního materiálu. Vnesené teplo způsobuje deformace nebo zhoršení vlastností materiálu v důsledku popuštění. Laserové navařování proto umožňuje opravy forem bez dalšího tepelného zpracování [2]. Při navařování více vrstev jsou však předchozí vrstvy tepelně ovlivněny, což může významně změnit jejich mikrostrukturu, reálnou strukturu a tvrdost. Z tohoto důvodu ovlivňuje výslednou tvrdost návaru nejen rychlost ochlazování, ale také teplota dosažená během depozice dalších vrstev [3]. Proto je důležité sledovat a porozumět mikrostrukturálním změnám nově vytvořeného materiálu. Tyto znalosti lze použít k návrhu postupu pro depozici větších objemů.

Laserové navařování bylo prováděno pomocí vláknového laseru IPG 3kW Yt:YAG. Hustota laserového výkonu 90 J/mm² byla použita k vytvoření návaru z pěti vrstev, viz obrázek 1. Každá vrstva byla vytvořena ze šesti, nebo sedmi překrývajících se housenek na substrátu z nástrojové oceli AISI H11. Byl použit prášek s průměrným průměrem částic 94 ± 24 μm.

Za účelem stanovení fázového složení vrstev byly získány difrakční záznamy na přístroji X'Pert PRO MPD v klasické Braggově–Brentanově konfiguraci s kobaltovým zářením a křížovými clonami 1 × 0,25 mm². Difrakční záznamy byly zpracovány programem X’Pert HighScore Plus a jednotlivé fáze byly identifikovány pomocí databáze PDF-2. Kvantitativní analýza byla provedena pomocí Rietveldovy analýzy v softwaru MStruct. Efektivní hloubka vnikání odpovídá tloušťce povrchové vrstvy, která poskytuje přibližně 63% difraktované intenzity. V případě použité vlnové délky je hloubka vnikání asi 5 μm.

Podle výsledků rentgenové fázové analýzy, viz obrázek 2, je podíl austenitu nejvyšší v první navařené vrstvě, přibližně 11 hm. %. Naopak nejnižší podíl, méně než 2 hm. %, je v tmavé oblasti, viz obrázek 1, která zároveň vykazuje nižší tvrdost o ca 200 HV_IT. Pomocí rentgenové fázové analýzy bylo možné stanovit pouze ferit v tepelně ovlivněné oblasti (TOO) a substrátu. Je vhodné poznamenat, že vzhledem k nízkému obsahu uhlíku v oceli nemůže rentgenová fázová analýza rozlišit mezi feritem, martenzitem a bainitem kvůli nízkému podílu mřížkových parametrů a/c. Karbidy v substrátu nebyly rentgenovou difrakcí pozorovány, pravděpodobně jsou velmi jemné.

Obrázek 1. Výbrus návaru s výrazněnou mikrostrukturou.

Obrázek 2. Fázové složení jednotlivých navařených vrstev, kde oblast 1 je poslední navařená, 6 TOO a 7 substrát.

Laserové navařování nástrojové oceli H13 vykazuje velký aplikační potenciál. Ukázalo se, že mikrostruktura, fázové složení a tvrdost návaru z více vrstev se v rámci hloubky významně liší. Jedná se o velmi důležité zjištění, protože oblast s nižší tvrdostí by mohla způsobit výrazně nižší životnost na povrchu opravené formy. Výzkumné téma a především formování oblasti s nižší tvrdostí však dosud nebylo přesně popsáno a pochopeno, takže bude zapotřebí dalšího výzkumu.

1. R. G. Telasang, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Laser Clad and Post-cladding Tempered AISI H13 Tool Steel. Metall. Mater. Trans. A. 46A: 2309–2321, 2015.

2. M. Vedani, et al. Problems in laser repair-welding a surface-treated tool steel, Surf. Coat. Tech. 201: 4518–4525, 2007.

3. G. Roberts, et al. Tool Steels. Materials Park: A S M International, 1998.

Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS19/190/OHK4/3T/14 a projektem CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000778 "Center for advanced applied science" v rámci Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělání, který je kontrolován Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České Republiky.