Innowacyjna metoda teksturowania laserowego bieżni wałeczkowych łożysk tocznych stosowanych w pojazdach szynowych

Transkrypt

1 NAPADŁEK Wojciech 1 CHRZANOWSKI Wojciech 2 WOŹNIAK Adam 3 Innowacyjna metoda teksturowania laserowego bieżni wałeczkowych łożysk tocznych stosowanych w pojazdach szynowych WSTĘP Istotną rolę w wytwarzaniu ślizgowych i tocznych par tarcia odgrywają technologie inżynierii powierzchni. Technologie, których atuty wykorzystywane były do tworzenia powierzchni płaskich i gładkich, są obecnie używane do tworzenia powierzchni niejednorodnych i teksturowanych. Są to głównie obróbki wykorzystujące skoncentrowany strumień energii, promieniowanie laserowe, elektronowe i plazmowe [1, 3-9]. Przez geometryczną teksturę powierzchniową należy rozumieć regularnie powtarzające się twory geometryczne w postaci rowków, wgłębień, występów lub inne cechy geometryczne, takie jak np. kierunek pochylenia mikronierówności, gradacja twardości powierzchniowej lub cechy fizyczne będące wynikiem stosowania specjalnych technologii. Jedną z metod teksturowania powierzchni jest drążenie elektroerozyjne [2, 4, 7]. Obróbka ta, kwalifikowana do obróbek ubytkowych jest stosowana głównie w przypadku obróbki materiałów trudno skrawalnych oraz elementów o skomplikowanych kształtach. Mimo wielu zalet, obróbka elektroerozyjna (EDM) ma także wady. Znacznie nowszą i bardziej innowacyjną metodą jest ablacyjne teksturowanie laserowe, realizowane przy gęstościach mocy W/cm 2. W tym procesie, w wyniku oddziaływania promieniowania laserowego następuje zjawisko absorpcji, powstaje plazma laserowa z jednoczesnym nagrzewaniem materiału oraz jego topienie i częściowe odparowanie. Generowana jest także fala ciśnienia, która powoduje m.in. ekstruzję ciekłego materiału do otoczenia, powodując wytwarzanie mikrozasobnika, np. czynnika smarnego. Procesy modyfikacji laserowej wpływają nie tylko jakościowo na mikrostrukturę, ale także pozwalają na precyzyjne kształtowanie mikrozasobników smarowych w newralgicznych strefach węzłów tribologicznych, występujących w elementach maszyn i urządzeń. Ablacyjne teksturowanie laserowe może być stosowane przed obróbką mechaniczną półwykańczającą (np. przed szlifowaniem) lub przed ostateczną obróbką wykańczającą, np. przed polerowaniem [9]. 1. OBIEKT, CEL I METODYKA BADAŃ Obiektem badań laboratoryjnych była warstwa wierzchnia (WW) stali łożyskowej 100CrMnSi6-4 po hartowaniu objętościowym i niskim odpuszczaniu. Badania wykonano na wycinkach materiału pobranego z wewnętrznego pierścienia (bieżni) wałeczkowego łożyska tocznego stosowanego w maźnicy wagonu kolejowego. Głównym celem teksturowania laserowego WW stali łożyskowej 100CrMnSi6-4 było: wytworzenie tekstury w kształcie mikroczasz, jako systemu mikrozasobników na środek smarny występujący w węźle tribologicznym, wytworzenie zasobników bez wypływek wokół zasobnika. W badaniach laboratoryjnych ww. stali zastosowano stanowisko laserowe Yd:YAG o długości fali promieniowania laserowego λ=1070 nm. Stanowisko laserowe posiada następujące parametry: maksymalna moc 30 W, średnica wiązki laserowej w zakresie µm, częstość repetycji do 20 khz, czas ekspozycji promieniowania laserowego 0,5 100 ns, oraz Laser TruMicro z serii 5000 (laser pikosekundowy) do mikroobróbki o mocy do 50 W i energii impulsu do 250 µj, długość fali promieniowania λ = 343 nm, czas ekspozycji promieniowania laserowego do 10 pikosekund. 1 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel: , wnapadlek@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel: , wchrzanowski@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna; Wydział Mechaniczny; Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel: , awozniak@wat.edu.pl 4561

2 Powierzchnie próbki przed wykonaniem teksturowania szlifowano i polerowano, a następnie w celu zwiększenia efektywności oddziaływania wiązki laserowej pokryto absorbentem w postaci warstwy czarnego tuszu. Wytworzone mikrozasobniki mają za zadanie gromadzić środek smarny tak, aby skutecznie rozdzielić elementy skojarzenia bieżnia wałeczek nie tylko w czasie ustabilizowanej pracy, ale przede wszystkim podczas gwałtownych zmian obciążenia i prędkości obrotowej. W laboratoryjnych badaniach wstępnych zastosowano dwa warianty mikroobróbki laserowej (teksturowania), przy stopniu wypełnienia ok. 25 i 50% powierzchni. W celu uzyskania dużej efektywności procesu wytwarzania mikrozasobników smarnych uwzględniono wcześniejsze wyniki badań własnych. Próbki wycinane były na wycinarce marki Struers Labotom-3 oraz na wycinarce elektroerozyjnej BP 39 D. Zgłady metalograficzne przygotowano wykorzystując praskę laboratoryjną Struers Labopress-3 oraz szlifierko-polerkę Struers Pademax-2. Do inkludowania próbek wykorzystano także żywicę termoutwardzalną epoksydową. Próbki szlifowane były na papierach ściernych o granulacji od 100 do 2000, a następnie polerowane na dyskach polerskich z użyciem proszku diamentowego o ziarnistości 3 µm i 0,5 µm oraz tlenków aluminium. Badania mikrostruktury próbek wykonane zostały przy pomocy mikroskopu optycznego Keyence VHX-1000 ze światłowodową transmisją obrazu i mikroskopu skaningowego PHILIPS XL30. Mikroskop elektronowy skaningowy PHILIPS XL30 pozwala m.in. na otrzymywanie obrazów badanych powierzchni za pomocą detektora elektronów wtórnych (SE) typu Everharta-Thornleya, a także elektronów odbitych (BSE) - poprzez zmianę polaryzacji napięcia na siatce detektora na przeciwną. 2. WYNIKI BADAŃ W badaniach do niniejszej publikacji tekstura utworzona na wybranych elementach łożysk wielkogabarytowych zawiera wiele powtarzalnych geometrycznie wgłębień o profilu zbliżonym do wycinka koła (rysunek 1a). Promień pojedynczego wgłębienia (rysunek 1b) jest kilkakrotnie większy od jego głębokości. Podczas teksturowania powierzchni powstaje niewielka wypływka materiału wokół wytworzonego zasobnika (rysunek 1b), którą trzeba usunąć (rysunek 1c) w drodze obróbki wykańczającej np. przez szlifowanie lub polerowanie. Zastosowanie lasera pikosekundowego pozwala na wytworzenie warstwy teksturowanej bez wypływki (rysunek 2), dzięki temu teksturowanie laserowe można stosować jako ostatnią operację na gotowej powierzchni materiału lub elementu. Mikroobróbka laserowa jest metodą z powodzeniem stosowaną wówczas, gdy wymagana jest wysoka dokładność wymiarowa powierzchni materiału lub elementu i w przypadku materiałów kłopotliwych dla mechanicznych technologii ubytkowych. Stosując teksturowanie laserowe powierzchni roboczej łożyska tocznego, oczekuje się poprawy warunków smarowania w strefie współpracy z łożyskiem tocznym poprzez trwałe utrzymanie czynnika smarowego (smar stały), który pozwala skutecznie rozdzielić współpracujące elementy pary tribologicznej bieżnia łożyska - wałeczek. Zastosowanie technologii mikroobróbki laserowej, tj. ablacyjnego teksturowania laserowego na newralgicznych powierzchniach współpracy ww. pary tribologicznej, miało na celu, jak już wcześniej wspomniano, wytworzenie mikrozasobników smarowych gromadzących smar stały, a przy dynamicznych zmianach kinetyki ruch elementów łożyska oddawanie (dozowanie) tego czynnika w strefy współpracy, wytwarzając tym samym mikrofilm smarny, który ma za zadanie rozdzielenie pary trącej bieżnia wałeczek, co ma istotny wpływ na zmniejszenie współczynnika tarcia, a tym samym oporów tarcia. Z przeprowadzonych badań wynika jednoznacznie, że na głębokość mikrozasobników smaru, wytworzonych w procesach ablacyjnego teksturowania laserowego warstwy wierzchniej stali 100CrMnSi6-4 z użyciem lasera pikosekundowego, istotny wpływ mają zarówno gęstość mocy, ilość skanowań laserowych oraz częstotliwość repetycji impulsów. Pod pojęciem skanowanie laserowe autorzy rozumieją proces impulsowej ablacji skoncentrowaną wiązką laserową o średnicy 17 μm po trajektorii spiralnej, rozpoczynającej się od środka mikrozasobnika. 4562

3 Rys. 1. Charakterystyczna stereometria powierzchni stali 100CrMnSi6-4 po ablacyjnym teksturowaniu laserem nanosekundowym z efektem termicznym : a) widok układu mikrozasobników smarowych na powierzchni stali łożyskowej, oraz w przekroju poprzecznym (b), c) widok stereometrii powierzchni stali łożyskowej z mikrozasobnikiem smarowym po częściowym usunięciu mikrowypływki; laser Yd:YAG, λ = 1070 nm, τ = 25 ns Rys. 2. Charakterystyczna stereometria powierzchni stali 100CrMnSi6-4 po ablacyjnym teksturowaniu laserem pikosekundowym zimna ablacja : a) widok układu mikrozasobników smarowych na powierzchni stali łożyskowej, b) stereometria powierzchni stali łożyskowej z mikrozasobnikiem smarowym, profil kształtu wzdłuż lini A - B, przechodzący przez środek zasobnika; laser TruMicro 5000, P=50 W, E i =250μJ, λ=343 nm, τ=10 ps Dobierając optymalne warunki teksturowania laserowego koncentrowano się głównie na uzyskaniu odpowiednich rozmiarów zasobników smarnych oraz wyeliminowaniu wypływek wokół zasobników. Zastosowane warianty mikroobróbki laserowej pozwoliły na wytworzenie mikroczasz 4563

4 kulistych. Reprezentatywne zasobniki bez wypływek przedstawiono na rysunkach 3 6. Uzyskane wyniki pomiarów kształtu (średnicy, głębokości) przedstawiono na rysunku 7 oraz w tabeli 1. Rys. 3. Widok zasobników smarowych (a, b) oraz ich profil geometryczny (c): a) pow. x200, b) pow. x1000, c) profil mikrozasobnika przy powiększeniu x1000; laser TruMicro 5000, P = 50W, E i = 250 μj, λ = 343 nm, τ = 10 ps, 50 khz, ilość skanowań 1x Rys. 4. Widok zasobników smarowych (a, b) oraz ich profil geometryczny (c): a) pow. x200, b) pow. x1000, c) profil mikrozasobnika przy powiększeniu x1000; laser TruMicro 5000, P = 50W, E i = 250 μj, λ = 343 nm, τ = 10 ps, 200 khz, ilość skanowań 1x 4564

5 Rys. 5. Widok zasobników smarowych (a, b) oraz ich profil geometryczny (c): a) pow. x200, b) pow. x1000, c) profil mikrozasobnika przy powiększeniu x1000; laser TruMicro 5000, P = 50 W, E i = 250 μj, λ = 343 nm, τ = 10 ps, 50 khz, ilość skanowań 10x Rys. 6. Widok zasobników smarowych (a, b) oraz ich profil geometryczny (c): a) pow. x200, b) pow. x1000, c) profil mikrozasobnika przy powiększeniu x1000; laser TruMicro 5000, P = 50W, E i = 250 μj, λ = 343 nm, τ = 10 ps, 200 khz, ilość skanowań 10x 4565

6 Wraz ze wzrostem mocy promieniowania, a tym samym gęstości mocy z 60% do 100% przy jednym skanowaniu laserowym oraz przy częstotliwości repetycji 50 khz, stwierdzono ok. 230% wzrost głębokości wytworzonych mikrozasobników z ok. 0,6 μm do ok. 1,4 μm (rysunek 7a). W procesie tym nie stwierdzono obecności mikrowypływek wokół mikrozasobników co dowodzi, że nastąpiło odparowanie materiału stali łożyskowej w strefie oddziaływania wiązki laserowej, tj. wystąpił proces tzw. zimnej ablacji. Stwierdzono także, że wraz ze wzrostem ilości skanowań laserowych z 1 do 10, następuje także wzrost głębokości mikrozasobników z ok. 0,6 μm do 2,5 μm przy 10 skanowaniach. Stanowi to ponad 4-krotny wzrost tego parametru. Zatem, wzrost głębokości nie jest proporcjonalny do ilości skanowań. Ponieważ proces ablacyjnego teksturowania realizowany był w atmosferze powietrza, dlatego stwierdzono wyraźną strefę tlenków żelaza i chromu, powstałych zwłaszcza przy wielokrotnych skanowaniach wiązką laserową. Wzrost częstotliwości repetycji z 50 khz (rysunek 7a) do 200 khz (rysunek 7b), spowodował także istotny wzrost głębokości mikrozasobników we wszystkich wariantach (rysunek 7a-b). Dla przykładu, przy jednym skanowaniu laserowym powierzchni stali łożyskowej stwierdzono wzrost głębokości z 0,6 μm (60% mocy) do 1,75 μm, tj. prawie trzykrotny wzrost wartości głębokości. Natomiast przy wariancie 100% mocy i jednym skanowaniu stwierdzono, że dla 50 khz, głębokość mikrozasobnika wynosiła ok. 1,38 μm (rysunek 7a), a dla 200 khz wystąpił nieznaczny wzrost głębokości do wartości 2 μm. Podobne efekty uzyskano dla wielokrotnego, np. 10-krotnego skanowania, gdzie zaobserwowano wzrost głębokości z 2,5 μm (rysunek 7a) do 4,5 μm (rysunek 7b). Analizując rysunek 7c, przedstawiający zależność częstotliwości repetycji (od 25 khz do 400 khz) od uzyskanych głębokości mikrozasobników przy jednokrotnym skanowaniu, zaobserwowano wyraźny trend wzrostowy, tj. od ok. 0,6 μm przy częstotliwości 25 khz do 2,5 μm przy częstotliwości 400 khz. Zatem, uzyskano zależność prawie liniową wzrostu głębokości zasobnika wraz ze wzrostem częstotliwości. Na dowód tej zależności w tabeli 1 zestawiono wybrane wyniki pomiarów struktury geometrycznej (szerokość, głębokość) mikrozasobników smarowych, uzyskanych w wyniku ablacyjnego teksturowania powierzchni stali łożyskowej laserem pikosekundowym. Tab. 1. Wybrane wyniki pomiarów struktury geometrycznej (szerokość, głębokość) mikrozasobników smarowych uzyskanych w wyniku ablacyjnego teksturowania laserem pikosekundowym częstotliwość moc lasera ilość powtórzeń średnica zasobnika [μm] głębokość zasobnika [µm] 50 khz 100% , khz 60% , kHz 100% , khz 60% , khz 100% , khz 60% , kHz 100% ,

7 Rys. 7. Wpływ mocy (gęstości mocy), częstotliwości repetycji oraz ilości skanowań laserowych na głębokość mikrozasobnika smarnego: a) 50 khz, b) 200 khz, c) 100% mocy, ilość skanowań 1x 4567

8 WNIOSKI Przeprowadzone laboratoryjne badania wstępne efektów teksturowania laserowego stali 100CrMnSi6-4 pozwoliły na wyciągnięcie następujących wniosków: 1. Stosując innowacyjną metodę teksturowania laserowego bieżni wałeczkowych łożysk tocznych uzyskano bardzo interesującą stereometrię powierzchni technologicznej warstwy wierzchniej stali 100CrMnSi6-4. Posiadała ona charakterystyczne mikrozasobniki czynnika smarowego, które mogą być bardzo istotne w procesach tribologicznych pary ciernej wałeczek bieżnia łożyska. 2. Stosując laser o impulsie pikosekundowym uzyskano teksturę z mikrozasobnikami bez charakterystycznej mikrowypływki, która powstaje podczas teksturowania laserem nanosekundowym. Dzięki zastosowaniu lasera o impulsie pikosekundowym eliminuje się dodatkową operację technologiczną usuwania mikrowypływki, np. poprzez szlifowanie lub polerowanie. 3. Wyniki badań teksturowania laserowego stali 100CrMnSi6-4 są wynikami wstępnymi, pilotażowymi do dalszych badań zasadniczych. Do pozytywów uzyskanych wyników należy zaliczyć: wysoką powtarzalność procesu teksturowania, regularny kształt geometryczny wytworzonych mikrozasobników i łatwość sterowania procesem. 4. Stosując różne parametry ablacyjnej mikroobróbki laserowej (gęstość mocy, częstotliwość repetycji, ilość impulsów w tą samą strefę, stopień przykrycia powierzchni mikrozasobnikami), uzyskano mikrozasobniki czynnika smarnego o średnicy ok µm oraz głębokości od 0,6 4,5 µm, co może stanowić obiecujący wynik. Streszczenie W artykule przedstawiono metodykę i wyniki badań teksturowania laserowego warstwy wierzchniej stali łożyskowej 100CrMnSi6-4, stosowanej m.in. do produkcji wielkogabarytowych, wałeczkowych łożysk tocznych stosowanych w tzw. maźnicach pojazdów szynowych. Obróbkę laserową warstwy wierzchniej stali przeprowadzono na stanowisku z wykorzystaniem laserów: nanosekundowego Yd:YAG o długości fali promieniowania laserowego λ=1070 nm, oraz pikusekundowego TruMicro z serii 5000 o długości fali promieniowania laserowego λ=343 nm. Zastosowanie ablacyjnej mikroobróbki laserowej z wykorzystaniem laserów o impulsie nano- i pikosekundowym w newralgicznych strefach łożyska tocznego, głównie warstwy wierzchniej pary trącej wałeczek bieżnia łożyska, miało na celu wytworzenie odpowiedniej tekstury powierzchni, zawierającej mikrozasobniki smarne w kształcie półczasz kulistych. Stosując różne parametry ablacyjnej mikroobróbki laserowej (gęstość mocy, częstotliwość repetycji, ilość impulsów w tą samą strefę, stopień przykrycia powierzchni mikrozasobnikami), uzyskano bardzo interesującą stereometrię powierzchni technologicznej warstwy wierzchniej stali 100CrMnSi6-4. Posiadała ona charakterystyczne mikrozasobniki czynnika smarnego, bardzo istotne w procesach tribologicznych pary ciernej wałeczek bieżnia łożyska. Stosując laser o impulsie nanosekundowym z tzw. ablacją z efektem termicznym uzyskiwano wokół mikrozasobników charakterystyczną mikrowypływkę, którą należy usunąć np. poprzez szlifowanie lub polerowanie. Dzięki zastosowaniu lasera o impulsie pikosekundowym występowała tzw. zimna ablacja, dzięki czemu wokół mikrozasobników nie powstawała mikrowypływka. Przedstawione w artykule wyniki badań teksturowania laserowego stali 100CrMnSi6-4 są wynikami wstępnymi, pilotażowymi do dalszych badań zasadniczych. Do pozytywów uzyskanych wyników należy zaliczyć: wysoką powtarzalność procesu teksturowania, regularny kształt geometryczny wytworzonych mikrozasobników, łatwość sterowania procesem. W najlepszym wariancie technologicznym badań wstępnych uzyskano mikrozasobniki oleju o średnicy ok µm oraz głębokości od 0,6 4,5 µm, co stanowi obiecujący wynik. The innovative method of laser hardening of the surface layer of 100CrMnSi6-4 bearing steel used in rail vehicles Abstract The article presents the methodology and results of the laser texturing of the surface layer of bearing steel 100CrMnSi6-4, used e.g. for the production of large-scale roller bearings used in the so-called "axle boxes" of rail vehicles. The laser treatment of the surface layer of steel was conducted using: nanosecond laser Yd: YAG with laser wavelength λ=1070 nm, and the second peak laser TruMicro from 5000 series of the laser wavelength λ = 343 nm. The use of ablative laser micromachining using lasers with nanosecond and 4568

9 picosecond pulse in sensitive areas of rolling bearings, mostly the surface layer of friction pair of roller - bearing race, was intended to produce a suitable surface texture containing oil microcontainers in the shape of half-spherical bowls. Applying various parameters of the ablative laser micromachining (power density, repetition rate, number of pulses in the same zone, the coverage area of microcontainers), obtained a very interesting surface stereometry on the technological surface layer of the 100CrMnSi6-4 steel. It had the characteristic microcontainers of the lubricant, which are very important in the tribological processes of frictional pairs of roller - bearing race. Applying nanosecond pulse laser with the so-called "thermal ablation effect" achieved characteristic micro-extrusions around micro-containers that should be removed, for example by grinding or polishing. By using the laser with picosecond pulse occurred so-called "cold ablation", so that micro-extrusions cannot be produced around micro-containers. The results of the laser texturing of the 100CrMnSi6-4 steel, presented in this article are the preliminary and pilot for further research essential. To the positive of obtained results should be included: high reproducibility of the process of texturing, regular geometric shape of micro-containers, ease of process control. In the best technological variant of preliminary tests, were obtained oil micro-containers with a diameter of about 100 to 140 microns and a depth of 0.6 to 4.5 microns, which is an encouraging result. BIBLIOGRAFIA 1. Smolnicki T., Stańco M., Prognozowanie zużycia odkształceniowego wielkogabarytowych łożysk tocznych o bieżniach miękkich. Acta Mechanica et Automatica, ISSN , Durst W., Vogt W., Trans Tech Publications. Schaufelradbagger. Clausthal Oczoś K. E., Kształtowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami energii. Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej Rzeszów Arnold J., Muller G., Schneider H., Muller H. K., Hugel H., Production of micro structures in SiC slide rings with an excimer laser. Laser und Optoelektronik, 25(1993). 5. Ryk G., Klingerman Y., Etsion I., Experimental investigation of laser surface texturing for reciprocating automotive components. Tribology Transactions, 45(2002). 6. Etsion I., A laser surface textured hydrostatic mechanical seal sealing technology. Sealing Technology, 3(2003). 7. Son S., Lim H., Kumar A.S., Rahman M., Influences of pulsed power condition on the machining properties in micro EDM, Journal of Materials Processing Technology, 190(2007). 8. Napadłek W., Influence of the laser hardening on the selected properties of steel. Ph.D. dissertation, MUT, Napadłek W., Examples of technological applications of laser ablation micro-treatment in tribology. Tribologia , Nr 6. Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju nr projektu PBS1/B5/1/2012/. 4569