Ocena odporności na zużycie stopowanych laserowo czopów wału korbowego z żeliwa sferoidalnego

• Autorzy: Kinal G. , Paczkowska M.

Warianty tytułu

EN

The evaluation of wear resistance of nodular iron crankshaft journals after laser alloying

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowane badania stanowią część prac związanych z laserową obróbką cieplną (LOC) żeliw szarych, które znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle budowy maszyn rolniczych czy motoryzacyjnym. Prezentowana problematyka badań dotyczy weryfikacji efektów stopowania laserowego czopów wału korbowego wykonanego żeliwa sferoidalnego przez przeprowadzenie próby zużyciowej na stanowisku do badań tarciowych ZPG-IV. Obróbkę laserową wykonano, stosując laser molekularny CO2 firmy Trumpf o maksymalnej mocy 2600 W i modzie TEM01, typ TLF 2600t. W celu oceny wpływu stopowania laserowego wałków z żeliwa sferoidalnego na ich odporność na zużycie przeprowadzono badania profilu powierzchni, analizę mikro- i makrostrukturalną oraz przeprowadzono pomiary mikrotwardości. Analiza mikroskopowa wykazała, że czopy po stopowaniu laserowym charakteryzowały się warstwą powierzchniową o drobnoziarnistej mikrostrukturze i grubości ok. 0,15 mm po wykańczającej obróbce mechanicznej. Wyniki pomiarów mikrotwardości wykazały 4-krotnie większą mikrotwardość (rys. 3) warstwy powierzchniowej kształtowanej laserowo w porównaniu z materiałem rdzenia. Parametr chropowatości powierzchni Ra wyznaczony na czopie przed obróbką laserową wynosił 0,15 μm (rys. 1), natomiast po obróbce w miejscu oddziaływania wiązki laserowej wyniósł prawie 2 μm, a po obróbce przez szlifowanie przyjął wartość nieco poniżej 0,1 μm. Mała falistość oraz parametr Ra na poziomie 0,1 μm daje prawdopodobnie możliwość wyeliminowania szlifowania na szlifierce do wałków po obróbce laserowej na rzecz innej obróbki wykańczającej, co znacznie zmniejszyłoby koszty i skróciło czas potrzebny do wykonania elementu. Wykonana próba zużyciowa pozwala stwierdzić wyraźne różnice w intensywności zużywania się czopów obrobionych i nieobrobionych laserowo. Charakter zmian parametrów rejestrowanych podczas próby, tj. temperatury w bezpośredniej strefie pod panewką, oporów ruchu wyrażonych momentem obrotowym na wale stanowiska (moment tarcia) czy rezystancji w miejscu styku czopa i panewki dla czopów nieobrobionych był inny niż dla obrobionych laserowo (rys. 5, 6). Dla czopów obrobionych laserowo wartość mierzonego momentu napędzającego wał była około 2-krotnie większa niż dla czopów nieobrobionych laserowo. Przeprowadzona próba zużyciowa wykazała większą intensywność zużywania się wałków bez obróbki laserowej w porównaniu z wałkami obrobionymi laserowo. Czop nieobrobiony laserowo po próbie zużycia charakteryzował się średnio 2,5-krotnie większym zagłębieniem profilu w miejscu współpracy z panewką niż zagłębienie profilu w tym samym miejscu dla próbek poddanych stopowaniu laserowemu (rys. 7). Pozytywne efekty przeprowadzonych badań zużyciowych pozwalają stwierdzić, że zastosowanie stopowania laserowego w przypadku wałów korbowych powinno sprzyjać zastępowaniu wałów stalowych żeliwnymi, a także daje możliwość zastępowania tradycyjnej obróbki powierzchniowej obróbką laserową.

EN

The following studies are the part of research connected with laser heat treatment of gray irons used in different types of industry branches. Cast irons are wildly used in vehicles and agricultural machines construction. This presented issue concerns laser alloying of crankshaft made of nodular iron. The effects of this treatment of was verified by wear test on special device ZPGIV. Laser treatment was performed with CO2 Trumpf TLF 2600 molecular laser with continuous wavelength. Surface profile, micro- and macrostructure, microhardness analysis have been done to estimate the nodular iron shafts laser alloying influence on their wear resistance. The microscopic analysis showed, that journals after laser alloying has surface layer with fine microstructure and 0,15 mm thickness after mechanical treatment. The microhardness results showed 4-times higher microhardness (Fig. 3) of alloyed layer modified by laser treatment than the core material. The Ra roughness parameter on the shaft surface before laser treatment was 0,15 μm (Fig. 1). But after laser treatment laser Ra was nearly 2 μm. However, after polishing this parameter was below 0,1 μm. Low corrugation and Ra parameter below 0,1 μm probably makes possible to change polishing on the shafts grinder after laser treatment into other finishing treatment. This could reduce the cost and time necessary to produce the final element. The wear test allow to state clear differences in intercity of wearing between untreated journals and laser treated ones. The changes character of recorded parameters during wear test: temperature in the zone under bearing, move resistance (expressed by rotation moment on the devices shaft – friction moment), or resistivity in journal and bearing connection were different for untreated journals and laser treated ones (Fig. 5, 6). The value of resistivity was twice higher for treated journals than untreated ones. The wear test was proved higher insensitivity of wearing for untreated journals than treated ones. In untreated journal the average depth of the profile in wearing place after tests was 2.5-times higher than in case of laser treated journal (Fig. 7). The positive effects of performed wear tests research allow to state that using laser alloying to crankshafts journals favours the exchanging steel on cast iron ones. Moreover, it also may allow to change the traditional surface treatment into laser treatment.

Słowa kluczowe

PL

stopowanie laserowe; raster; zużycie; żeliwo; wał korbowy

EN

laser alloying; laser raster-scanning; wear; cast iron; crankshaft

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 6
• Strony: 697--700
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys.

Twórcy

autor

Kinal G.

• Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska

autor

Paczkowska M.

• Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Wajand J. A., Wajand J. T. : Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Warszawa. Wydawnictwo Naukowo Techniczne (2000).
• [2] Kozłowski M. : Mechanik pojazdów samochodowych. Budowa i eksploatacja pojazdów. Tom I, ll. Wrocław, Wydawnictwo Vogel (2006).
• [3] Napadłek W., Przetakiewicz W.: Wpływ obróbki laserowej na właściwości wybranych elementów silnika spalinowego. V Ogólnopolska Konferencja Naukowa “Obróbka powierzchniowa” “2002, Częstochowa Kule, 18-20 wrzesień 2002, Inżynieria Materiałowa 6 (23) (2002) 547÷553.
• [4] Kusiński J., Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty laserowego przetapiania stopów żelaza. I Ogólnopolska Konferencja Naukowa pt.: Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchniowej Łódź (1994) 267÷270.
• [5] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa (1995).
• [6] Major B.: Ablacja i osadzanie laserem impulsowym. Akapit (2002).
• [7] Paczkowska M.: Możliwości modyfikacji struktury i własności warstwy powierzchniowej elementów maszyn przez borowanie laserowe. Inżynieria Materiałowa 6 (2008) 585÷590.
• [8] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surface & Coatings Technology 205 (2010) 2542÷2545.
• [9] Pertek A.: Kształtowanie struktury i własności warstw borków żelaza otrzymywanych w procesie borowania gazowego. WPP Poznań (2001).
• [10] Kinal G.: Porównawcze badania zużycia ściernego elementów z żeliwa sferoidalnego po laserowej obróbce powierzchniowej. Tribologia. XXVII Jesienna Szkoła Tribologiczna “Problemy tribologiczne w projektowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji maszyn i urządzeń”, Łagów 11-14 wrzesień 2007, 3 (2007) 241÷249.

Uwagi

PL

Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009÷2013.