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

• Autorzy: Napadłek W. , Chrzanowski W. , Woźniak A.

Warianty tytułu

EN

The innovative method of laser hardening of the surface layer of 100CrMnSi6-4 bearing steel used in rail vehicles

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

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. 100 ÷ 140 μm oraz głębokości od 0,6 ÷ 4,5 μm, co stanowi obiecujący wynik.

EN

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 4569 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.

Słowa kluczowe

PL

stal łożyskowa; teksturowanie laserowe; pojazd szynowy; bieżnia wałeczkowa

EN

bearing steel; laser texturing; rail vehicle; treadmill roller

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Logistyka
• Rocznik: 2014
• Tom: nr 3
• Strony: 4561--4569
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab., wykr., pełen tekst na CD

Twórcy

autor

Napadłek W.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa, ul. Kaliskiego 2

autor

Chrzanowski W.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa, ul. Kaliskiego 2

autor

Woźniak A.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa, ul. Kaliskiego 2

Bibliografia

• 1. Smolnicki T., Stańco M., Prognozowanie zużycia odkształceniowego wielkogabarytowych łożysk tocznych o bieżniach miękkich. Acta Mechanica et Automatica, ISSN 1898-4088, 2009.
• 2. Durst W., Vogt W., Trans Tech Publications. Schaufelradbagger. Clausthal 1986.
• 3. Oczoś K. E., Kształtowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami energii. Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej – Rzeszów 1988.
• 4. 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, 2002.
• 9. Napadłek W., Examples of technological applications of laser ablation micro-treatment in tribology. Tribologia - 2009, Nr 6.

Uwagi

PL

„Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju – nr projektu PBS1/B5/1/2012/”.