Valuraudan laserpinnoitus kulutuspinnoissa

Abstract

Teollisuudessa on käytetty perinteisesti termistä ruiskutusta ja hitsauspinnoitusta kulumisen eri muotoja vastaan ja pidentämään kappaleen käyttöikää. Molemmilla menetelmillä on etunsa. Ongelmia kuitenkin aiheuttaa termisessä ruiskutuksessa etenkin pinnoitteen kiinnipysyvyys sekä hitsauspinnoituksessa suuri lämmöntuonti ja sekoittuminen.

Laserpinnoitusmenetelmässä lämpöenergia tuodaan työkappaleeseen lasersäteen muodossa, mikä sulattaa lisäaineen ja perusaineen niin, että niiden välille syntyy sulaliitos. Prosessissa lämmöntuonti on matala, pinnoitteen kiinnipysyvyys on erinomainen ja sekoittuminen pysyy alhaisena. Menetelmässä yhdistyvät perinteisten pinnoitusmenetelmien edut, ja samalla niiden heikkoudet on pystytty minimoimaan.

Laserpinnoitusprosessissa erilaisilla prosessiparametreillä on suuri vaikutus. Näistä tärkeimpiä ovat laserteho, kuljetusnopeus ja jauheensyöttönopeus. Parametrien tulee olla säädetty oikeassa suhteessa toisiinsa nähden, koska kaikilla niillä on vaikutusta syntyvän pinnoitteen ominaisuuksiin. Käytettävillä perusaineilla ja pinnoituslisäaineilla on myös suuri merkitys syntyvään pinnoitteeseen.

Valuraudan, etenkin suomugrafiittivaluraudan, hitsaus tiedetään hankalaksi toteuttaa säröytymisriskin vuoksi. Suomu- ja pallografiittivalurautojen pinnoitusta tutkittiin casetyyppisesti esimerkkitutkimusten kautta. Löydösten perusteella laserpinnoituksen matala lämmöntuonti ja pieni sekoittuminen mahdollistavat valurautojen pinnoituksen. Valurautojen laserpinnoitukseen soveltuvat pinnoitteet, joiden lämpölaajenemiskerroin on lähellä valurautojen kerrointa ja jotka kestävät sekoittumista. Tällaisia pinnoitteita ovat nikkelipohjaiset ja kobolttipohjaiset pinnoitteet.

The industry has traditionally used thermal spraying and welding against various forms of wear and to prolong the lifetime of the work piece. Both methods have their advantages. However, problems in thermal spraying are caused by poor bond strength of the coating and high heat input and dilution in arc welding.

In laser cladding method, thermal energy is aimed into the work piece in the form of a laser beam, which melts the cladding material and substrate so that a metallurgical bonding occurs between them. In this process heat input is low, cladding bonding strength is excellent and dilution remains low. This method combines the advantages of conventional cladding methods while minimizing their weaknesses.

Various process parameters play an important role in the laser cladding process. Most important parameters are laser power, travel speed and mass flow. The parameters should be proportionally adjusted to each other, as all of them influence the properties of the resulting cladding. The substrates and cladding materials used also have a major role in the resulting cladding.

Welding of cast iron and especially grey iron is known to be difficult due to the risk of cracking. The cladding of grey iron and ductile iron were case studied. The low heat input and low dilution of laser cladding enable cladding of cast irons, based on the findings. Claddings that are suitable for cast irons endure dilution well and have thermal expansion coefficient close to the thermal expansion coefficient of cast irons. Such claddings are for example nickel and cobalt based claddings.