MODIFICHE SULLE SUPERFICI CON L IMPIEGO DEL LASER CLADDING 1. I rivestimenti mediante la tecnica laser cladding hanno dimostrato di prolungare la durata dei componenti fino a 6 volte. Di N. Longfield, S. Lester, J. Griffiths, J. Cocker, C. Staudenmaier e G. Broadhead I componenti utilizzati nella fabbricazione di nastri d acciaio lavorano in ambienti particolarmente aggressivi; devono quindi resistere a prestazioni a temperature elevate in atmosfere corrosive e sono sottoposti a usura meccanica e a carichi d urto frequenti e pesanti. Tata Steel ha messo a punto una macchina per laser cladding che permette di modificare le superfici dei nastri metallici prodotti. Il sistema è costituito da un laser a diodo a fibra accoppiata di Laser Line con una testa di riporto YC52 di Precitec e da un alimentatore della polvere con regolazione a flusso di massa realizzato da Metallisation. Il sistema è inoltre controllato da un robot Fanuc dotato di un settimo asse aggiuntivo per la rotazione dei pezzi cilindrici fino a 6 t di peso e 3,5 m di lunghezza. 18 - APPLICAZIONI LASER - PubliTec
APPL Precitec 41:Layout 1 24-04-2013 14:22 Pagina 19 applicazioni I componenti utilizzati nella fabbricazione di nastri d acciaio lavorano in ambienti particolarmente aggressivi; devono quindi resistere a prestazioni a temperature elevate in atmosfere corrosive e sono sottoposti a usura meccanica e a carichi d urto frequenti e pesanti. Tradizionalmente, i componenti sottoposti a elevata usura o corrosione venivano realizzati spesso in acciai con una composizione chimica ricca o con riporto duro ad arco rivestito sommerso a temperature elevate. Le leghe in MSS saldate ad arco risentono anche della sensibilizzazione durante la saldatura sui contorni dei grani nelle zone termicamente alterate, in cui vengono precipitati i carburi di cromo, lasciando le aree circostanti impoverite di cromo. Tali zone sono pertanto soggette alla corrosione localizzata. Sono inoltre ampliamente utilizzati in tutta l'industria siderurgica anche rivestimenti a spruzzo termico grazie alla loro flessibilità nei tipi di le- 3. La testa di rivestimento YC52 con ugello coassiale di Precitec. 2. L impianto di produzione con tecnica laser cladding presso Tata Steel Strip Products, Regno Unito. utilizzando acciai inossidabile martensitici per aumentarne la durata e massimizzare pertanto il rendimento della linea di finitura, ampliando gli intervalli di manutenzione senza sacrificare la qualità del prodotto. Le leghe saldate in acciaio inossidabile martensitico presentano generalmente buone caratteristiche di resistenza all'usura e alla corrosione, tuttavia, non sono indicate per l abrasione forte di metallo su metallo e inoltre perdono le loro proprietà meccaniche e corrosive se sottoposte maggio giugno 2013 ghe e ai composti a matrice metallica che possono essere applicati. Tuttavia, le loro interfacce fissate meccanicamente possiedono una resistenza relativamente bassa (a meno che non venga impiegata successivamente una metallizzazione a spruzzo) limitando il loro utilizzo pratico in un ambiente con sollecitazioni molto pesanti. Nel 2009 è stato realizzato un impianto a Port Talbot nel Regno Unito, nel tentativo di sviluppare la tecnica laser cladding per il rivestimento di componenti di lavoro critici allo scopo di au- mentare la loro durata di servizio. Nei laminatoi dell industria siderurgica sono richiesti rotoli diversi con una lunghezza da 0,3 a 3,5 m. I rivestimenti mediante la tecnica laser cladding hanno dimostrato di prolungare la durata dei componenti fino a 6 volte (Figura 1). A partire dall'installazione del sistema laser cladding a Port Talbot, è stato sviluppato il processo e sono state valutate numerose leghe di nichel-cobalto e a base di ferro in termini di microstruttura, di proprietà meccaniche, di resistenza all usura e alla corrosione. È richiesto uno sviluppo dettagliato del processo per personalizzare le proprietà di rivestimento per ciascuna applicazione nelle acciaierie. I primi risultati delle serie di prove sono stati estremamente incoraggianti, grazie ai quali i componenti sottoposti alla tecnica del laser cladding hanno ottenuto prestazioni di resistenza e corrosione senza precedenti. Pertanto, è stata presa la decisione di costruire una macchina di produzione per far fronte alle richieste previste (Figure 2, 3 e 4). Il processo di laser cladding offre vantaggi significativi Il processo di laser cladding è un metodo di riporto duro che può essere utilizzato per aumentare la resistenza all usura, alla corrosioapplicazioni LASER - 19
20 - APPLICAZIONI LASER - PubliTec 4. Schema della testa di rivestimento YC52 con ugello coassiale di Precitec. 5. Micrografia della tecnica laser cladding che illustra una tipica applicazione del carburo di tungsteno in una matrice NiCrSiB. ne e agli urti di componenti metallici. Il processo utilizza un raggio laser messo a fuoco in modo preciso per creare un bagno di fusione cui è aggiunta polvere metallica. La polvere viene trasportata in un flusso di gas inerte schermato e viene soffiata coassialmente rispetto al raggio laser. Il tipo accurato di raggio laser permette di ottenere un rivestimento completamente denso con diluizione minima (<5%) e con un legame metallurgico perfetto. Possono essere applicati numerosi tipi di rivestimenti, dei quali è possibile progettare la composizione per contrastare i meccanismi di collasso associati a ciascun componente. Uno dei principali vantaggi associati al laser cladding è la possibilità di controllare con precisione la portata termica. Ciò consente un applicazione della struttura di composti a matrice metallica (Metal Matrix Composite) in due fasi, ossia: una matrice - tipicamente una lega a base di nichel. Tale matrice fornisce resistenza, duttilità e resistenza all urto e contemporaneamente resistenza all'usura in presenza di temperature elevate. una fase solida rinforzante - in genere un carburo di tungsteno, ma può essere previsto anche nitruro di titanio / carburo, carburo di cromo, ecc. La regolazione fine della portata termica consente la completa fusione della matrice e di legarsi alla superficie del substrato e, contemporaneamente, le particelle in ceramica non si fondono e vengono distribuite uniformemente su tutta la matrice (Figura 5), offrendo un rivestimento estremamente resistente all usura e all urto. Il rapporto tra la fase solida e la matrice può essere adattato in base alle condizioni di servizio, cioè maggiore è la frazione della fase solida, maggiore è la resistenza all'usura e minore è la frazione di fase solida, maggiore è la resistenza d urto. Altri vantaggi del processo comprendono: portata termica minima e pertanto velocità di raffreddamento rapido con microstrutture molto fini e deformazioni irrilevanti; capacità di raggiungere la composizione chimica di rivestimento desiderata nel primo strato grazie alla diluizione minima; capacità di produrre rivestimenti con riporto duro con finitura superficiale eccezionale (possibilità di rivestire rotoli e d'installazione senza lavorazione meccanica); legame metallurgico completo con il substrato, a differenza di tutti gli altri processi a spruzzo a bassa immissione di calore (HVOF, spray a freddo, D-Gun, ecc.). Sebbene siano numerosi i parametri implicati nel laser cladding, un parametro particolarmente critico è rappresentato dalla portata della massa di polvere. Una volta identificati il diametro ottimale dello spot del laser, la velocità di rivestimento e la potenza del laser per una particolare applicazione, la portata della
tata del flusso di polvere per controllare efficacemente la diluizione. Una volta identificati i parametri ottimali per una singola traccia di un cordone di saldatura su piastra, si ottiene la copertura dell area della massa realizzando tracce sovrapposte. La quantità della sovrapposizione determina quindi lo spessore del rivestimento che può variare da 0,3 mm a 3 mm in un solo passaggio (Figura 7). Per dimostrare e quantificare i potenziali benefici del laser cladding rispetto alle tecniche di riporto duro tradizionali, Tata Steel RD & T ha prodotto e sottoposto a prova di usura un numero di campioni sia di laser cladding sia di riporto duro ad arco sommerso presso l'università di Sheffield, Regno Unito. I risultati delle prove di usura effettuate sia a temperature alte che basse sono indicati rispettivamente nelle Figure 8 e 9. Come si può chiaramente osservare nelle figure, il processo di laser cladding può offrire notevoli miglioramenti nella resistenza all usura rispetto a materiali e alle tecniche di riporto duro standard. 6. Sezioni trasversali di una lega NiCrWMo che rappresenta la diluizione in funzione della portata della polvere; immagine al microscopio ottico con un maggiore ingrandimento e con rappresentazione dettagliata della struttura dendritica; immagine SEM con un ampio ingrandimento che rappresenta la struttura della stessa lega con una struttura dendritica cellulare estremamente fine. 7. Sezioni trasversali di un rivestimento con tecnica laser cladding prodotte da tracce sovrapposte. maggio giugno 2013 massa di polvere può essere utilizzata per controllare lo spessore del rivestimento, la durezza e la diluizione, come illustrato nella Figura 6, ove è possibile osservare una crescente por- Impianto di laser cladding nella produzione Le macchine di elaborazione in grado di effettuare il laser cladding possono essere acquistate direttamente da fornitori in Europa e in America; tuttavia è stata scelta una macchina di produzione su ordinazione con la tecnica del laser cladding costruita da ingegneri di Tata Steel. Il sistema è costituito da un laser a diodo a fibra accoppiata di Laser Line con una testa di riporto YC52 di Precitec (Figura 10) e da un alimentatore della polvere con regolazione a flusso di massa realizzato da Metallisation. Il sistema è controllato da un robot Fanuc dotato di un settimo asse aggiuntivo per la rotazione dei pezzi cilindrici fino a 6 t di peso e 3,5 m di lunghezza. Il funzionamento della macchina viene controllato mediante un interfaccia uomo/macchina con schermo tattile. Il sistema è stato progettato per funzionare in modo autonomo, per cui il robot è in grado di effettuare una programmazione automatica. Ciò si ottiene con l'integrazione di un laser per la misurazione a distanza che determina la geometria del componente, la posizioni iniziale e di arresto e anche la distanza di sicurezza della testa laser. Infine, l introduzione del laser assicura che per APPLICAZIONI LASER - 21
8. Prova di usura da scorrimento a temperatura ambiente di carburo di tungsteno applicato con tecnica laser cladding rispetto a colata di acciaio laminato legato ad alto contenuto di carbonio. La micrografia inserita illustra il segno dell usura generato durante la prova. Sul carburo di tungsteno è stato prodotto un segno d usura irrilevante. 9. Prova di usura da scorrimento a temperatura elevata (700 C) di stellite 6 applicata con tecnica laser cladding rispetto ad acciai inossidabili martensitici a riporto di arco sommerso (attualmente applicato a treno di nastro largo a caldo con riporto duro e ai rulli di colata continua in CSP). 22 - APPLICAZIONI LASER - PubliTec la gestione di questo processo avanzato è sufficiente un addestramento minimo. Il monitoraggio dettagliato garantisce un processo stabile, mentre una funzione di arresto automatico e di ritorno impedisce il danneggiamento in caso di interruzione imprevista. Il processo di laser cladding ha dimostrato vantaggi sostanziali nell aumentare la durata critica dei componenti di lavoro nell'industria siderurgica, e con l'avvento dei sistemi laser a diodi ad alta potenza e degli ugelli laser cladding dedicati, ora è molto più semplice progettare e integrare un processo di rivestimento resistente per le applicazioni di riporto duro. 10. Grazie a una serie di ugelli di applicazione della polvere è possibile sottoporre a riporto una gamma completa di componenti con la massima efficienza della polvere. L'anello coassiale viene impiegato per lavori fini e dettagliati; l ugello a quattro getti (coassiale discontinuo) consente il riporto da qualsiasi posizione; e l'ugello fuori asse viene utilizzato ove è richiesto un processo resistente, cioè per un funzionamento laser continuo della durata di diverse ore. QUALIFICA AUTORI Dottor Nick Longfield (Tata Steel), Sam Lester (Tata Steel / Swansea University), Justin Griffiths (Tata Steel), John Cocker (Laser Trader), Christian Staudenmaier (Precitec), Gary Broadhead (Laser Line). L articolo è di vostro interesse? Ditelo a: filodiretto@publitec.it