LAZER IŞINI İLE YÜZEY SERTLEŞTİRME UYGULAMALARI

Haziran 08, 2018, 5:38 pm
8 dakika
Yüzey Sertleştirme


Dr. Ekrem Altuncu

ETSA / TESLAB
Teknoloji Fakültesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Sakarya Üniversitesi

 

 

Yüzey Sertleştirme

 

Osman Kırlı
Firma Ortağı – Direktör
Uniquetech Mühendislik

 

 

Giriş
Lazer Sertleştirme; çelik alaşımları ve dökme demirler gibi demir esaslı malzemelerde %0,2’nin üzerinde karbon içeren Fe-C
alaşımlarına yaygın olarak uygulanan etkin bir yüzey sertleştirme ısıl işlemidir. Yüzey sertleştirme yapılacak malzeme üzerine
yüksek enerji yoğunluğuna sahip lazer ışını uygulanmakta ve dış yüzeyde malzemenin ergime sıcaklığının altında bir sıcaklıkta
(900-1400oC) işlem gerçekleştirilmektedir. Malzemenin yüzeyi ile çekirdek bölgesi arasında bir ısı farkı oluşmaktadır. Arzulanan
çalışma sıcaklığına ulaşıldığında lazer ışını kaynağını oluşturan torç yüzeyde sabit hızda ve mesafede kontrollü bir şekilde hareket
etmektedir. Lazer ışınının yüzeyde ilerlemesi ile yüzey homojen ve sürekli bir şekilde uygun sıcaklığa (östenitleme sıc.)
ısıtılmaktadır. Yüksek sıcaklık etkisiyle demir atomları kristal yapıda pozisyonlarını değiştirmektedir. Bu işleme östenitleme işlemi
adı verilmektedir. Lazer ışınının yüzeyden geçişi ile birlikte ısınan bölge kendi kendine hızlı bir şekilde soğumaktadır. Ekstra bir
soğutucu hava, su  veya yağ kullanımına ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu nedenle çevre dostu bir uygulamadır. Hızlı soğuma, kristal
yapının tekrar ilk  haline  dönüşümünü engelleyecek düzeyde olması nedeniyle martenzit adı verilen çok sert bir kristal yapının
oluşmasına neden  olmaktadır.  Martenzitik dönüşüm (östenit-martenzit) malzeme yüzeyinde yüksek bir sertlik (>55HRc) eldesi
sağlamaktadır. Lazer  ışını ile  sertleştirme yalnızca parçanın dış yüzeyi boyunca gerçekleştirilmektedir. Sertleşme derinliği genel
olarak 0,1-1,5mm  aralığındadır. Bazı malzemelerde, alaşım kompozisyonuna bağlı olarak bu 2,5mm ve üzerinde olabilmektedir.
Daha fazla sertlik  derinliği, ısının hızlı  bir şekilde dağılmasını ve sertleştirme bölgesinin yeterince hızlı soğuduğundan emin olmak
için daha geniş  hacimde (daha fazla et  kalınlığına sahip) bir malzeme gerektirmektedir. Lazer ışın kaynağının genişliğine bağlı
olarak geniş  yüzeylere de uygulanabilmektedir.Lazer ışını uygulanan alan bir dikdörtgen geometrisinde (band veya şerit) yüzeyde
ilerlemektedir. Çeşitli farklı boyutlarda optik yardımcılar kullanılarak lazer ışını genişliği 60 mm’ye kadar bir alanı tarayabilmektedir.

Aşağıda belirtilen alaşım gruplarına lazer sertleştirme uygulanabilmektedir:
• Soğuk iş takım çelikleri,
• Sıcak iş takım çelikleri,
• Plastik döküm kalıbı çelikleri,
• Genel yalın karbonlu, alaşımsız çelikler,
• Semetasyon çelikleri,
• Yapı çelikleri,
• Döküm çelikler,
• Dökme demirler ( gri, küresel grafitli).
Sertleşme derinliği 0,1-2mm arasında olup elde edilen sertlik değerleri 35-68HRC arasındadır (Malzemenin kimyasal
kompozisyonua bağlı olarak).

Lazer Sertleştirme Prosesi /Laser Hardening Process
Lazer sertleştirme işlemlerinde 1-4KW güç aralığında çalışılmaktadır. Birim yüzeye uygulanan güç 103-104 W/cm2 arasındadır.
Sertleştirme genişliği 5-60 mm arasında optik yardımcılar aracılığıyla değiştirilebilmektedir. Sertleşme derinliği uygulama hızına ve
süresine bağlı olarak 2mm seviyesine kadar gerçekleştirilebilmektedir.

 

Lazer Sertleştirme prosesi

 

Lazer ile sertleştirme işlemlerinde hassas yüzey işlemleri için robotik kontrol oldukça önem taşımaktadır. Dairesel veya köşeli
yüzeylerde pozisyoner yardımı ile en ince detaylara ulaşılabilmektedir.

CAD/CAM Toplas 3D® yazılımı ile 3boyutlu teknik resim dataları üzerinde hızlı ve etkin bir yüzey işlem kabiliyeti mevcuttur
(Uniquetech).

Lazer sertleştirme işlemleri robotik kontrol ile gerçekleştirilmektedir.

Metalurjik Açıdan Lazer Sertleştirme
Metalurjik açıdan lazer ile sertleştirme yüksek lazer ışını enerjisi ile yüksek hızlarda lokal bir yüzey ısıtma sonrası kendi kendine hızlı
bir soğuma sonucunda östenit fazından martenzit fazına dönüşüm prosesidir.

Isıtma hızı 1000K/sn olması nedeniyle çok yüksek olup, yüzyede ince bir tabaka halinde homojen bir östenitleme
gerçekleşmektedir. Bunu takiben hızlı soğuma etkisi ile (TTT diyagramında görüleceği üzere T1 sıcaklığı) yapı tamamen martenzite
dönüşmektedir.

Bunun sonucunda lazer torcunun uygulama ekseni merkez bölgesinde en yüksek sertliğe homojen bir şekilde ulaşılmaktadır.

Östenitten martenzite faz dönüşümü

 

Lazer Sertleştirme Yapılan Alaşımlarda Elde Edilen Sertlik Değerleri

Lazer sertleştirme lokal olarak iş parçalarının aşınma direncini ve ömrünü artırmak için şekillendirme kalıplarından sondaj
ekipmanlarına kadar çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bu teknoloji özellikle kompleks şekilli parçalara, içi boşluklu parçalara,
kenar yüzeylerine minimum ısı girdisi ile uygulanabilmektedir. Bu uygulamalar genellikle ısıl işlem ile sertleştirilebilen ferro
alaşımlara ve dökme demirlere uygulanmaktadır.

Prosesin Avantajları:
• Hassas ve odaklanmış ısı girdisi sağlanabilmektedir.
• Yüksek aşınma direnci performansı ve sertlik elde edilebilmektedir.
• Ekstra soğutma gereksinim yoktur.
• Süneklik kaybı düşüktür.
• Işlem sonrası ek işlem gereksinimi çok azdır.
• Parçada distorsiyon oluşmamaktadır.

Lazer Sertleştirme Uygulamaları

Lazer sertleştirme yapılmış kesme yüzeyleri ve kenarları

Lazer sertleştirme uygulanmış şekillendirme kalıpları

Lazer sertleştirme ısıl işlemi ile 4140 şaft 28-32HRC’den 58-60HRC sertlik kazanmaktadır

Örnek uygulamalar

Referanslar
[1] http://uniquetech.com.tr/
[2] http://www.us.trumpf.com/
[3] http://www.nutech.de/
[4] http://www.erlas.de/
[5] http://www.lasercladdingservices.com.au/
[6] www.laserline.de
[7]www.cla.fraunhofer.org/en/laser_heat_treatment/
[8] http://www.lasertherm.com/
[9] https://groupsixtech.com/
[10] Laser Material Processing 4th ed. 2010 Edition,by William M. Steen (Author), Jyotirmoy Mazumder (Author), Kenneth G. Watkins .

  • (gizli tutulacaktır)