Studium přednostní orientace laserem navařené nástrojové ocele
K. Trojan1, J. Čapek1, V. Ocelík2, N. Ganev1
1Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, České vysoké učení technické, Trojanova 13, 120 00 Praha 2, Česká Republika
2Department 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 přednostní orientaci laserem navařené nástrojové ocele AISI H13. Byl vytvořen návar z pěti vrstev, na jeho původním povrchu byla následně charakterizována přednostní orientace a ta byla porovnána s výsledky konvenčně zpracované ocele.
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 ovlivněním základního materiálu díky nízkému vnesenému teplu. Vnesené teplo způsobuje deformace nebo zhoršení vlastností materiálu v důsledku popouštění. Laserové navařování proto umožňuje opravy forem bez dalšího tepelného zpracování [2]. Při navařování dochází k rychlému směrovému tuhnutí, které má za následek výraznou přednostní orientaci, což může významně ovlivnit mechanické vlastnosti nově vytvořeného materiálu. Proto je důležité sledovat a porozumět těmto změnám, následně lze tyto znalosti použít k návrhu postupu pro depozici větších objemů.
Laserové navařování bylo prováděno pomocí vláknového laseru IPG 3kW Yt:YAG. Laserovým svazkem o hustotě energie 90 J/mm2 byl zhotoven návar s pěti vrstvami. Každá vrstva byla vytvořena ze šesti, nebo sedmi překrývajících se housenek na substrátu z nástrojové oceli AISI H11. Byl použit prášek s průměrnou velikostí částic 94 ± 24 μm.
Za účelem popsání přednostní orientace byly získány pólové obrazce linií {200}, {211} a {220} fáze α-Fe na přístroji X'Pert PRO MPD v klasické Braggově–Brentanově konfiguraci s kobaltovým zářením a křížovými clonami 0,5 × 1 mm2. Program MATLABTM toolbox MTEX [3] byl použit pro výpočet orientačně distribuční funkce a vykreslení inverzních pólových obrazců (IPO). Efektivní hloubka vnikání odpovídající tloušťce povrchové vrstvy, která poskytuje přibližně 63 % difraktované intenzity, je v případě použité vlnové délky ca 5 μm.
Na základě IPO, viz obrázek 1 a 2, je možné konstatovat, že obrazce jak navařené, tak konvenčně zpracované oceli se pro jednotlivé směry od sebe kvalitativně neliší. Ve směru L, tedy ve směru navařování, převládá krystalografický směr [100]. Ve směru T, kolmo na navařování, lze pozorovat dvě maxima a to ve směru [100] a [110]. Naopak ve směru normály k povrchu jsou maxima ve směru [100] a [111]. Pro laserově navařenou ocel lze ve všech směrech pozorovat vyšší hodnoty násobku náhodné distribuce. Tato závislost je velice zajímavá, jelikož texturní data konvenčně zpracované ocele byla získána na ploše, kde následně proběhlo laserové navařování. Na základě těchto výsledků by tedy bylo možné vyslovit hypotézu, že přednostní orientace substrátu ovlivňuje přednostní orientaci navařené vrstvy tím, že dochází k nukleaci nových zrn na hranici natavené zóny substrátu a jejich dalšímu směrovému růstu. Tuto problematiku je potřeba detailněji prozkoumat a zhodnotit, zda se nejedná pouze o náhodu.
Obrázek 1. IPO laserem navařené ocele, kdy směr L je rovnoběžný se směrem navařování, směr T je kolmý a směr N je normálou povrchu.
Obrázek 2. IPO konvenčně zpracované ocele, kdy směr L je rovnoběžný se směrem navařování, směr T je kolmý a směr N je normálou povrchu.
Laserové navařování nástrojové oceli H13 vykazuje velký aplikační potenciál. Ukázalo se, že přednostní orientace navařené oceli vykazuje podobný typ jako konvenčně zpracovaná ocel. Zkoumaná problematika, a především interpretace podobných získaných výsledků však dosud nebyly přesně popsány. K doplnění poznání v této oblasti bude nezbytný další výzkum.
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. F. Bachmann, et al. Texture Analysis with MTEX — Free and Open Source Software Toolbox, Solid State Phenomen. 60: 63–88, 2010.
Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS22/183/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.