Mikroobróbka laserowa w modyfikacji warstwy wierzchniej elementów silników spalinowych wybrane aplikacje technologiczne

Transkrypt

1 TADEUSZ URAKOWSKI, WOJCIECH NAPADŁEK, WOJCIECH PRZETAKIEWICZ Mikroobróbk lserow w modyfikcji wrstwy wierzchniej elementów silników splinowych wybrne plikcje technologiczne Zstosownie mikroobróbki lserowej w inżynierii powierzchni Prof. dr hb. inż. Tdeusz urkowski (wch@imp.edu.pl) Instytut Mechniki Precyzyjnej, Politechni Koszlińsk, Koszlin, dr inż. Wojciech Npdłek Wojskow Akdemi Techniczn, Wrszw, prof. dr hb. inż. Wojciech Przetkiewicz Akdemi Morsk, Szczecin Oddziływnie promieniowni lserowego z mterią jest od kilkudziesięciu lt intensywnie rozwijną dziedziną nuki i technologii, prktycznie od początku i równolegle z prcmi nd powstjącymi nowymi rodzjmi lserów. Problemtyk związn z oddziływniem promieniowni lserowego z mterią istotnie komplikuje się w funkcji wzrostu gęstości mocy impulsów lserowych. Mikroobróbk lserow może być nieblcyjn (młe gęstości mocy): bez odprowni, powstwni obłoku plzmy i fli uderzeniowej w obrbinym mterile, i blcyjn: z odprowniem mteriłu, powstwniem obłoku plzmy i wytwrzniem fli uderzeniowej w mterile obrbinym. W zleżności od gęstości energii i mocy, długości fli promieniowni i czsu trwni impulsu lserowego zmieni się mechnizm oddziływni wiązki lserowej z mterią, tym smym proces technologiczny, ze względu n zminę włściwości fizykochemicznych mteriłu obrbinego [1]. Przy stosunkowo niewielkiej gęstości mocy impulsów (q W/cm ) występuje jedynie zjwisko klsycznego pochłnini promieniowni i ngrzewni ośrodk bez efektów topnieni cił lub ich prowni. Pochłninie promieniowni nstępuje w wrstwie przypowierzchniowej cił, w jego głąb ciepło przekzywne jest klsycznym mechnizmem przewodnictw cieplnego [1]. Przy wyższej gęstości mocy impulsów (q W/cm ) zchodzi topnienie lub odprownie mteriłu. Impuls ciśnieni wrstwy poddnej blcji jest przy tej gęstości mocy jeszcze stosunkowo niewielki i nie wpływ istotnie n stn obrbinego mteriłu. Jednk dl tych wrtości gęstości mocy orz przy stosunkowo długich impulsch możn już w mteriłch drążyć dość głębokie otwory [1]. Przy gęstości mocy rzędu W/cm impulsy wywołują zwykle utworzenie z odprownej wrstwy obłoku, który może oddziływć z pdjącym promieniowniem i częściowo je pochłnić, ekrnując przed promieniowniem dlsze prtie mteriłu, w którym pod wpływem ciśnieni obłoku plzmy są generowne fle uderzeniowe [1]. Przy gęstości mocy w zkresie q W/cm istotn stje się jonizcj npromieniownego ośrodk, który w tym stnie stnowi tzw. plzmę niskotemperturową [1]. Dlsze zwiększnie gęstości mocy impulsów (q > W/cm ) powoduje n powierzchni cił stłych powstwnie corz gorętszej plzmy, któr w skrjnych przypdkch może osiągnąć prmetry chrkterystyczne dl kontrolownej syntezy termojądrowej [1]. Mikroobróbk lserow powierzchni może być stosown w cyklu technologicznym wytw rzni części mszyn. Poniewż umożliwi obróbkę wybr nych, niewielkich obszrów mteriłu, to jednocześnie pozwl n minimlizcję odksztłceń mechnicznych w wyniku oddziływni cieplnego, sprowdzjąc je nieml wyłącznie do strefy tego oddziływni. Technologi blcyjnej mikroobróbki lserowej umożliwi wytworzenie w wrstwie powierzchniowej mikro- i nnostruktury przez oddziływnie plzmy lserowej i wysokiego ciśnieni. Szybkozmienne impulsy lserowe o częstotliwości repetycji od kilku Hz do 100 khz i wyższej wymuszją proces blcji lserowej, rozdrobnienie struktury orz ultrszybkie przeminy fzowe nieosiągne innymi technologimi. Wyniki bdń wstępnych wskzują, że w wrstwie wierzchniej może też zostć wytworzon cienk mikrowrstw morficzn (szklist). Procesy modyfikcji lserowej wpływją nie tylko jkościowo n mikrostrukturę, le tkże pozwlją n precyzyjne ksztłtownie geometrii powierzchni, np. mikrozsobników olejowych w newrlgicznych strefch tulei cylindrowych silników. Mikroobróbk lserow może być stosown jko ostteczn lub półwykńczjąc. Jedną z njwiększych zlet tej technologii jest brdzo mł stref wpływu ciepł, co zpewni minimlny wpływ obróbki n deformcję, np. tulei, jk i n nprężeni włsne. Również ukłd wytworzonych n powierzchni tulei zsobników olejowych jest wżny, poniewż wpływ decydująco n procesy tribologiczne. Zstosownie technologii mikroobróbki lserowej pozwl n zwiększenie trwłości i niezwodności silników splinowych, n zmniejszenie emisji toksycznych związków orz n zwiększenie sprwności silnik. M to szczególne znczenie w produkcji silników mocno obciążonych cieplnie, o wysokiej mocy, prcujących przy dużym wytężeniu, w brdzo trudnych wrunkch klimtycznych. W wyniku stosowni obróbki lserowej trwłość eksplotcyjn obrobionych elementów (rys. 1) wzrst o kilkdzie siąt procent, nwet kilkkrotnie. Corz więcej zkłdów przemysłowych stosuje lsery do uszlchetnini powierzchni mteriłów metlowych. Wiązką lserową możn oddziływć n mteriły znjdujące się nie tylko w po wietrzu, le i w innych ośrodkch częściowo przepuszczlnych (w innych gzch lub w cieczch, np. w wodzie) lbo poprzez ośrodki częściowo przepuszczlne dl promieniowni lser. Njlepsze efekty trnsmisji wiązki uzyskuje się oczywiście w próżni. Dl ułtwieni posługi wni się ngrzewnicmi lserowymi, firmy produkujące lsery i jednostki nukowo-bdwcze oprcowują wykresy i nomogrmy pozwljące n optymli zcję prmetrów obróbki. Liczb lserów technologicznych i zkres ich zstoso wń nieustnnie rozszerz się [1 9]. CEL PRACY Niniejsz prc jest przeglądem wybrnych, prktycznych zstosowń blcyjnej mikroobróbki lserowej w modyfikcji wrstwy wierzchniej wybrnych elementów silnik splinowego. Jej celem jest wstępne wskznie możliwości zstosowń blcji lserowej w zkresie oczyszczni i modyfikcji newrlgicznych stref elementów silnik, w celu zwiększeni ich trwłości i niezwodności, tym smym m.in. zmniejszeni skżeni środowisk. Stosując różne wrinty technologiczne, próbowno ocenić przydtność tej nowoczesnej technologii w procesch produkcyjnych i nprwie wrstwy wierzchniej elementów silnik splinowego. 898 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXI

2 Rys. 1. Przykłdy miejsc umcninych lserowo (w częścich smochodowych): ) pski między komormi splni bloku silnik, b) gnizdo zworu, c) gnizdo dyszy pliwowej (1 miejsc umcnini) Fig. 1. Exmples of lser strengthened res (in vehicles elements): ) belts between combustion chmbers of cylinder block, b) vlve point, c) fuel injection nozzle point (1 re of strengthening) [1] METODYKA ADAŃ Do bdń wykorzystno szereg elementów silnik splinowego (rys. ), m.in. tuleje cylindrowe stosowne w tłokowych silnikch splinowych smolotów (tulej ze stli 41CrAlMo7) orz tuleje stosowne w smochodch ciężrowych VOLVO wykonne z żeliw szrego niskostopowego. Przedstwiono tkże bdni związne z modyfikcją lserową wrstwy wierzchniej intensywnie zużywjących się stref trzonk zworu wylotowego silnik. W prcy umieszczono pondto wyniki modyfikcji strefy czołowej pierścieni tłokowego impulsową mikroobróbką lserową. Przedstwiono również wstępne wyniki blcyjnego oczyszczni lserowego tłok z produktów splni (np. ngr, szlmy, tlenki itp.). Obiektem bdń były tkże przylgnie grzybków zworów ze stli X45CrSi9-3 (H9S) zotowne jrzeniowo orz tuleje cylindrowe po tkiej smej obróbce cieplno-chemicznej. Ocenę wrstwy orz dobór włściwych prmetrów obróbki jrzeniowej wykonno metodmi trdycyjnymi, przez pomiry mikrotwrdości, skłdu chemicznego, obserwcje mikrostruktury. Do modyfikcji wrstwy zotownej wykorzystno lser TEA CO o energii w impulsie 4 J Rys.. Elementy silnik splinowego poddne blcyjnej mikroobróbce lserowej Fig.. Combustion engine elements treted with lser bltion (gęstość energii 10 J/cm ), czsie trwni impulsu ~150 ns orz częstotliwości repetycji 1 Hz. Absorbent stnowił olej npędowy orz grfit. Przez wielokrotne oddziływnie skupionej wiązki lserowej n powierzchnię stli pokrytej bsorbentem dobierno prmetry obróbki (gęstość mocy, liczbę impulsów itp.). Podstwowymi kryterimi oceny efektywności tej obróbki był topogrfi powierzchni orz twrdość po usunięciu strefy fz ε + γ. dni topogrfii powierzchni wykonno n nowoczesnych profilogrfometrch (D, 3D) orz z pomocą skningowej mikroskopii elektronowej. PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ TECHNOLOGICZNYCH ALACYJNEJ MIKROORÓKI LASEROWEJ Ksztłtownie mikrozsobników olejowych W wyniku impulsowego oddziływni lserowego [4 7] generown plzm wysokotemperturow orz impulsy ciśnieni (fle uderzeniowe) powodują w pierwszej fzie usuwnie twrdej i kruchej strefy fz ε + γ uzysknej w wyniku zotowni jrzeniowego. Już po jednym impulsie lserowym pojwiją się nieliczne, po pięciu wyrźne śldy odwrstwini tej strefy. Zobserwowno efekty ndtpini, delmincji orz mikropęknięci spowodowne nprężenimi włsnymi rozciągjącymi, tkże wydmuchiwniem ciśnieniowym. Po dziesięciu impulsch nstępu je usunięcie strefy fz ε + γ (stref A i odsłonięcie strefy zotowni wewnętrznego, stref rys. 3). Anliz topogrfii powierzchni orz wyniki pomirów mikrotwrdości w strefie modyfikcji próbek obciążnych 0 i 50 impulsmi lserowymi (rys. 4) dowodzą, że w rezultcie wieloimpulsowej modyfikcji lserowej strefy zotowni wewnętrznego uzyskno wysoką twrdość w zkresie od 800 do 1400 HV0,05 (wyjściow twrdość ok. 700 HV0,05), co może świdczyć o obecności nwet mikroobszrów o budowie szklistej (rys. 4, 5). Tk wrstw, ze względu n rozwiniętą morfologię powierzchni orz korzystny ukłd spłszczonych, dość regulrnych, komórkowych sferoidów, posidjących liczne potencjlne nno- i mikrozsobniki olejowe, może być przydtn w różnych zstosownich technologicznych i być szczególnie korzystn dl utrzymni filmu olejowego w skojrzenich tribologicznych prcujących w ruchu obrotowym lub posuwisto-zwrotnym (np. trzonek zworu-prowdnic zworow). Stosując wieloimpulsową obróbkę jednego mikroobszru n powierzchni próbki (przykrycie impulsów 100%) uzyskno komórki o ksztłcie widocznym n rysunku 4. Wynik to m.in. z rozkłdu modowego gęstości energii w przekroju wiązki lserowej. Njwiększ gęstość energii orz fl ciśnieni występuje njczęściej w środkowej strefie obszru oddziływni lserowego. W wyniku oddziływni krótkiego impulsu lserowego (ok. 150 ns) n bsorbent (olej npędowy) orz wrstwę zotowni we- NR 4/010 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 899

3 ) b) 50 m 5 m Rys. 3. Chrkterystyczne strefy oddziływni promieniowni lserowego n wrstwę wierzchnią stli X45CrSi9-3 zotownej jrzeniowo, szczególnie n strefę fz ε + γ po 5 impulsch; A stref fz ε + γ, stref zotowni wewnętrznego Fig. 3. Chrcteristic zones (by different modyfictions) of influence of impulse lser bem n the superficil lyer of steel X45CrSi9-3 fter glow dischrge nitriding, esspecily on the phses ε + γ fter 5 impulses; A zone of phses ε + γ, zone of internl nitriding ) b) 0 m 0 m c) d) 5 m 5 m Rys. 4. Chrkterystyczne strefy wrstwy wierzchniej stli X45CrSi9-3 zotownej jrzeniowo, uzyskne w wyniku impulsowego oddziływni promieniowni lserowego Nd:YAG po usunięciu strefy fz ε + γ środek obszru oddziływni lserowego: ) po 0 impulsch, b) po 50 impulsch, c), d) stref brzegow Fig. 4. Chrcteristic zones of superficil lyer of steel X45CrSi9-3 fter glow dischrge nitriding, impulse lser Nd:YAG bem microtretment nd fter remove of phses ε + γ in the center of lser ffecting: ) fter 0 impulses, b) fter 50 impulses, c), d) edge re 900 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXI

4 Twrdość HV0, , 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 Odległość od pow. [mm] Rys. 5. Zminy mikrotwrdości w strefie zotowni wewnętrznego stli X45CrSi9-3 po modyfikcji impulsową wiązką lserową: 1 stref zotowni jrzeniowego z fzmi ε + γ, stref po modyfikcji lserowej Fig. 5. The order of microhrdness in the zone of internl nitriding fter lser impulse bem tretment: 1 zone glow dischrge nitriding of phses ε + γ, zone fter lser bem tretment ) 1 wnętrznego w środkowej strefie modyfikcji występuje njwyższ tempertur plzmy, powodując ultrszybkie topnienie wrstwy wierzchniej orz równie szybką krystlizcję, z utworzeniem chrkterystycznych ukłdów komórkowych o wymirch ok. 5 8 µm (rys. 4). Poz epicentrum plzmy tempertur orz fl uderzeniow mleją, powodując ksztłtownie się nieco odmiennej budowy komórkowej, przypominjącej regulrne sferoidy o wielkości ok. 3 5 µm (rys. 4). W strefie brzegowej, tj. n grnicy oddziływni plzmy, zobserwowno njmniejszy wpływ wiązki lserowej. Wystąpiły tm niewielkie ndtopieni powierzchni z licznymi, brdzo drobnymi ukłdmi komórkowymi o wymirch 1 µm. Podobne rezultty lserowej modyfikcji wrstwy wierzchniej uprzednio zotownej jrzeniowo uzyskno w przypdku tulei cylindrowych (rys. 6). b) c) d) e) f) Rys. 6. Chrkterystyczn topogrfi powierzchni stlowej tulei cylindrowej zotownej jrzeniowo po modyfikcji lserowej: ), b) chrkterystyczny ukłd mikrozsobników olejowych wytworzony przez firmę Gehring, c) proces technologiczny wytwrzni zsobników olejowych w górnej strefie głdzi tulei cylindrowej n skonstruownym w WAT stnowisku lserowym, d) chrkterystyczny ukłd mikrozsobników olejowych wytworzonych w WAT, e), f) widok mikrozsobników oleju wytworzonych długimi impulsmi lserowymi (q = 0, W/cm, τ = 150 µs, jeden impuls) Fig. 6. Chrcteristic surfce topogrphy of the cylinder brush mde of nitrided steel fter lser modifiction: ), b) chrcteristic rry of microcontiners mnufctured by Gehring Compny, c) technologicl process of oil microcontiners mnufcturing in the upper re of the cylinder brush nvil fce in the lser lb stnd constructed in the Militry University of Technology, d) chrcteristic rry of the oil micro-continers fbricted in the Militry University of Technology, e) f) oil microcontiners view mnufctured by short lser impulses (q = W/cm, τ = 150 µs, one impulse) NR 4/010 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 901

5 Ablcyjne oczyszcznie powierzchni elementów silnik Promieniownie lser impulsowego możn również wykorzystywć do oczyszczni wrstwy wierzchniej, np. głdzi cylindrów tulei lub monobloków silnik splinowego wykonnego z żeliw szrego (usuwnie cząstek SiC, Al O 3, mikrozdziorów itp., jko pozostłości po honowniu). Powierzchnię o wysokiej czystości, wolną od znieczyszczeń, tłuszczów i tlenków uzyskuje się w wyniku skoncentrowni n młej powierzchni wiązki lserowej o gęstości energii 0,5 1 J/cm i czsie trwni impulsu τ = 10 ns (rys. 7). Dzięki grfitowi występującemu w żeliwie bsorpcyjność promieniowni lserowego jest duż, co zwiększ sprwność procesu. Innym przykłdem blcyjnego oczyszczni powierzchni elementów silnik jest usuwnie ngru z powierzchni tłok (rys. 8, 9). WNIOSKI 1. Impulsow mikroobróbk lserow z pomocą lser TEA CO o energii w impulsie 4 J (gęstość energii 10 J/cm ) orz oleju npędowego jko bsorbent, pozwl skutecznie i wydjnie usuwć twrdą i kruchą (o młej kohezji) strefę fz ε + γ, wytworzoną w procesie zotowni stli zworowej X45CrSi9-3 (H9S). Proces usuwni związny jest z generowniem plzmy lserowej orz fli ciśnieni w impulsie lserowym o czsie trwni ok. 150 ns. Skuteczne jej usunięcie osiąg się już po 10 impulsch lserowych.. W procesie impulsowej modyfikcji lserowej strefy zotowni wewnętrznego już po 0 impulsch uzyskno wrstwę wierzchnią, prwdopodobnie o budowie wielofzowej, z mikroobszrmi szklistymi włącznie. Wynik to z brdzo dużej dynmiki procesów ngrzewni, topnieni i krystlizcji. Towrzyszą temu procesowi fle ciśnieni (uderzeniowe). 3. Stosując wieloimpulsową obróbkę lserową tego smego obszru dnej próbki (stopień przykryci 100%) uzyskno pewną niejednorodność w zkresie komórkowych ukłdów geometrycznych o wymirch od 1 do 8 µm njwiększe w strefie środkowej, njmniejsze w strefie brzegowej. Stosując odpowiednio dobrną prędkość sknowni, stopień przykryci orz gęstość energii możn złożyć, że uzysk się dość jednorodną wrstwę wierzchnią o odpowiednim rozwinięciu topogrfii powierzchni. 4. Wytworzon z pomocą technologii typu duplex (zotownie + obróbk lserow) zmodyfikown, wielofzow wrstw powierzchniow, skrystlizown w ultrkrótkim czsie, m wysoką twrdość ( HV 0,05) orz chrkterystyczne, potencjlne mikrozsobniki (np. olejowe), co może zostć wykorzystne do zwiększeni trwłości węzłów tribologicznych, np. skojrzeni trzonek zworu-prowdnic w silniku splinowym. ) b) Rys. 7. Topogrfi wrstwy wierzchniej głdzi tulei cylindrowej wykonnej z żeliw szrego niskostopowego po modyfikcji blcyjną mikroobróbką lserową: ), b) widok głdzi cylindrowej ze strefą wytworzoną n etpie produkcji (A) i zmodyfikowną lserowo (), gęstość mocy q = 1, 10 8 W/cm, τ = 10 ns, jeden impuls) Fig. 7. Surfce lyer chrcteristic topogrphy of the gry cst iron cylinder nvil fce fter lser bltion modifiction: ), b) view of the cylinders nvil fce with re mnufctured during production (A) nd lser modified ( power density q = W/cm, τ = 10 ns, one impulse) ) b) Rys. 8. Przykłdy technologicznego zstosowni blcyjnego oczyszczni lserowego elementów mszyn: tłok, tłok i pierścieni tłokowych (), zworu silnik splinowego (b) po oczyszczeniu wiązką lser impulsowego Nd:YAG o gęstości energii J/cm, czsie trwni impulsu 10 ns; A wrstw powierzchniow nie oczyszczon, wrstw powierzchniow po oczyszczeniu Fig. 8. Exmples of technologicl ppliction of lser bltion clening of welded support of mchine elements: engine piston (), piston rings (), engine vlves (b); Nd: YAG with energy density J/cm nd pulse durtion 10 ns; A before clening, fter clening 90 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXI

6 ) b) 1 P 1 c) d) P e) P f) P Rys. 9. Topogrfi powierzchni termoizolcyjnej powłoki brierowej TC (40% Al O + ZrO + Y O S ) n denku tłok silnik 4CT90 po próbie 3 3 n stnowisku hmowninym i oczyszczeniu lserowym z wrstwy ngru: ) widok denk tłok z obszrmi oczyszczonymi lserowo przy różnych prmetrch obróbki, b) frgment topogrfii powłoki cermicznej z widocznymi obszrmi przed (ngr) i po oczyszczeniu widoczn regulrn sitk mikropęknięć w strefie oczyszczonej, c) f) chrkterystyczne strefy powłoki brierowej oczyszczonej lserowo; 1 strefy powłoki pokrytej ngrem będącym produktem splniu miesznki pliwowo-powietrznej, strefy powłoki oczyszczonej lserowo z ngru, P mikroi mkropęknięci jko efekt szoków termicznych i wyzwlni się nprężeń włsnych podczs splni miesznki pliwowo powietrznej Fig. 9. Therml isoltion surfce topogrphy of TC s (40% Al O 3 + ZrO + Y O 3 ) brrier lyer of the 4CT90 engines piston bottom fter test in the engine test stnd nd lser clening of the nghr: ) view of the lser clened pistons bottom with vrious tretment prmeters, b) frgment of cermic coting topogrphy with noticeble res before (nghr) nd fter clening well seen regulr net of microcrcks in clened re, c) f) chrcteristic lser clened brrier lyer res; 1 res of the coting covered by nghr, fuel-eril mixture combustion product, res where nghr ws lser clened out, P micro- nd mcrocrcks s n effect of therml shocks nd libertion of internl stresses NR 4/010 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 903

7 Podziękowni Artykuł zostł przygotowny w rmch projektu bdwczego rozwojowego nr NR /008 finnsownego przez Nrodowe Centrum dń i Rozwoju ze środków publicznych n nukę w ltch Litertur [1] urkowski T., Wierzchoń T.: Surfce engineering of metls principles, equipment, technology. CRC Press, oc Rtn, New York, London, Wshington (1999). [] Meijer J.: Lser bem mchining (LM), stte of the rt nd new opportunities. Journl of Mterils Processing Technology 149 (004) -17. [3] Steen W. M.: Lser mteril processing n overview. Journl of Optics A: Pure nd pplied optics 5 (003) 3-7. [4] Luo S. N., Swift D. C., Tierneyiv T. E., Pisley D. L. i inni: Lser-induced shock wves in condensed mtter: some techniques nd pplictions. High Pressure Reserch 4 (4) (004) [5] Fujimoto H., Furuhm S., Goto T.: Mesurement of cylinder bore deformtion by mens turning piston with gp sensor during engine opertion. ISME Interntionl Journl, Series II 34 (3) (1991). [6] Hlsbnd M.: Messung und Optimierung der Reibungsverluste der Kolbengruppe. Teil 1 und. MTZ 1994, 55, 11, MTZ (1995). [7] Klink U.: Lserowe honownie głdzi cylindrów. Sympozjum Nukowo- Techniczne pt. Technik lserow w inżynierii powierzchni mteriłów, WAT, Wrszw (1997) [8] Npdłek W., Przetkiewicz W.: Wpływ obróbki lserowej n włściwości wybrnych elementów silnik splinowego. Inżynieri Mteriłow 5 (130) (00) [9] Npdłek W., Srzyński A., Mrczk J.: Anliz procesów zchodzących podczs blcji lserowej n stopch luminium. Przegląd Spwlnictw 5-6 (006) INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXI