Problematike renovácie foriem pre tlakové odlievanie hliníka je v súčasnosti venovaná veľká pozornosť. Hlavným dôvodom je najmä ekonomické hľadisko. Cena nových tvarovo zložitých, resp. rozmerných foriem sa pohybuje v niekoľko desiatkach až stovkách tisíc eur [1]. Aktuálny vývoj cien stredne a vysokolegovaných akostí ocelí na svetových trhoch je tak isto silným faktorom pre hľadanie možnosti obnovy funkčnosti poškodených častí vstrekovacích foriem. Životnosť foriem je limitovaná pôsobením kombinácie tribodegradačných faktorov, ako aj ich prevádzkovými podmienkami. Na degradácii akosti funkčných plôch sa primárne podieľa rozpúšťanie oceľových plôch v hliníku [2,3]. Aj napriek krátkodobému kontaktu tuhnúcej Al zliatiny s materiálom formy nepresahujúcej 5 sekúnd je toto poškodenie povrchov rozpúšťaním v Al dominantným degradačným faktorom.
Sekundárne životnosť foriem ovplyvňuje abrazívne opotrebenie vtokových kanálov a adhezívne opotrebenie dosadacích - delených častí foriem. Aj keď sa jedná o formy pre vstrekovanie Al zliatin za studena, je prevádzková teplota formy cca. 250°C. Poškodenie funkčných plôch foriem sa prejaví najmä na zmenách rozmerov a tolerancií odliatkov, resp. v zmenách morfológie povrchu odliatkov. K degradácii foriem dochádza najmä v ich tvarovo členitých častiach. Rozpúšťaním ocele v Al zliatine dochádza k narušeniu integrity povrchu vzniku povrchových defektov (povrchových pórov), ktoré sú vyplnené stuhnutou Al zliatinou [4–6]. Na takto hliníkom vyplnený defekt sa naďalej nalepuje zliatina, ktorá pôsobením vysokých plniacich tlakov pôsobí na defekt ako klin. Koncentrácia vnútorných napätí vplyvom cyklického namáhania má za následok iniciáciu trhlín a ich šírenie do telesa formy [7,8].

Obr. 1: Vzhľad trhlín po kapilárnej skúške a degradácia povrchu foriem pre vstrekovanie zliatin Al

V extrémnych prípadoch môže spôsobiť deštrukciu celej formy. Pre obnovu funkčných plôch vstrekovacích foriem je možné v súčasnosti použiť viacero oblúkových, resp. energolúčových metód navárania.

Metodika experimentálnych prác
Na výrobu vzoriek boli použité štyri rôzne technológie navárania, pričom cieľom práce bolo zistiť vplyv jednotlivých technológií nielen na kvalitu, ale aj na chemické zloženie návarov a tiež minimalizovať teplom ovplyvnenú oblasť.
Vyhotovené boli štyri návary. Vzorka 01 bola vyhotovená laserovým zváraním, vzorka 02 pomocou metódy CMT, vzorka 03 technológiou MIG Pulse a vzorka 04 pomocou TOP-TIG technológie. Vzorky boli vyhotovené ako dvojvrstvové. Návary boli vyhotovené na oceľ 1.2343 DIN - X38CrMoV51. Chemické zloženie základného materiálu použitého ako podklad pod návarové vrstvy je v tabuľke 1.

Tab.1 Chemické zloženie základného materiálu 1.2343 DIN - X38CrMoV51

Ako prídavný materiál bol použitý zvárací drôt Uddeholm Deivar 1.2344, DIN - X40CrMoV51 s priemerom 1,2 mm. Chemické zloženie prídavného materiálu je v tabuľke 2.

Tab. 2: Chemické zloženie prídavného materiálu (Fe zvyšok)

Akosť návarov bola posudzovaná vizuálnou metódou podľa STN EN ISO 17637 a tiež ultrazvukovou odrazovou metódou podľa STN EN ISO 17640. Na priečnych výbrusoch bol stanovený priebeh tvrdosti podľa Vickersa v jednotlivých oblastiach. Merania tvrdosti HV0,5 sa vykonávali pomocou tvrdomeru Shimadzu HMV – 2 (Shimadzu, Kjóto, Japan) podľa Vickersovej metódy STN EN ISO 17637. Meranie prebiehalo pri každej vzorke v dvoch líniách, s rozostupmi 0,3 mm. Tvrdosť bola meraná v základnom materiály, v tepelne ovplyvnenej oblasti (TOO) a v návare. Na metalografických výbrusoch bola pomocou svetelnej mikroskopie realizovaná štruktúrna analýza.

Obr. 2: Procesy navárania skúšobných vzoriek, a) pevnolátkový diskový laser TruDisk 4002

Naváranie diskovým laserom, Obr. 2a)
Na vytvorenie návaru s označením 01 bol použitý pevnolátkový diskový laser TruDisk 4002 s fokusačnou optikou BEO D70 a nasledujúcimi parametrami:
- Ohnisková vzdialenosť 200 mm
- Priemer optického vlákna 400 μm
- Výkon lasera 1,8 kW
- Rýchlosť zvárania 10 mm. s-1
- Fokusácia +6 mm, - Rýchlosť podávania drôtu 70 cm. min-1
- Prietokové množstvo ochranného plynu Ar 30 l. min-1
Naváranie bolo realizované bez predohrevu.

Obr. 2: Procesy navárania skúšobných vzoriek, b) zvárací zdroj Fronius TransPuls Synergic 3200 a návar vytvorený metódou CMT

Naváranie technológiou CMT, Obr. 2b)
Pri technológii CMT bol na vytvorenie návaru s označením 02 použitý zvárací zdroj Fronius Trans Puls Synergic 3200 s parametrami:
- Navárací prúd 224 A
- Naváracie napätie 23,2 V
- Rýchlosť podávania drôtu 6,5 m. min-1
- Rýchlosť navárania 8 mm. s-1
- Korekcia dĺžky oblúka 15%
- Korekcia dynamiky 0,3
- Prietokové množstvo ochranného plynu Ar 15 l. min-1
- Posuv horáka medzi húsenicami 5,5 mm
- Vzdialenosť horák – povrch plechu 14 mm
Návary boli vyhotovené v dvoch vrstvách, po 13 zvarových húseníc. Pred naváraním bol podkladový materiál predohriaty na teplotu 300°C.

Obr. 2: Procesy navárania skúšobných vzoriek, c) Fronius TPS600i a návary vyhotovené metódou MIG Puls

MIG Puls naváranie, Obr. 2c)
Zváracia metóda MIG Puls pracuje vo fáze prúdu s nízkym výkonom a fáze pulzného prúdu s vyšším výkonom, pri ktorej vzniká len minimálny zozstrek. Návar s označením 03 bol vytvorený zváracím zdrojom Fronius TPS600i s nasledujúcimi parametrami:
- Navárací prúd 196 A
- Naváracie napätie 23,8 V
- Rýchlosť podávania drôtu 6,5 m. min-1
- Rýchlosť navárania 8 mm. s-1
- Korekcia dĺžky oblúka 3
- Korekcia pulzu/dynamiky 0,0
- Prietokové množstvo ochranného plynu Ar 30 l.min-1
- Posuv horáka medzi húsenicami 5 mm
- Vzdialenosť horák – povrch plechu 19 mm
Základný materiál bol pred naváraním predohriaty na 300°C.

Obr. 2: Procesy navárania skúšobných vzoriek; d) schéma navárania TOPTIG

Naváranie metódou TOPTIG, Obr. 2d)
Zváracia metóda TOPTIG bola vyvinutá za účelom skombinovať kvalitu a nízku tepelne ovplyvnenú oblasť charakteristickú pre zváranie metódou TIG, so zváracím výkonom spojeným s technológiou MIG, pri automatizovanom zváraní. Táto technológia funguje na princípe technológie TIG s tým rozdielom, že prídavný materiál vo forme drôtu je privádzaný k špičke netaviacej sa volfrámovej elektródy, do oblasti s veľkým tepelným príkonom, v ktorej sa prídavný materiál topí na malé kvapôčky, podobne ako pri metóde MIG. Zvárací zdroj AirLiquide TOPTIG 220 bol použitý pri návare s označením 04, pričom mal nastavené nasledujúce parametre:
- Navárací prúd 200 A
- Naváracie napätie 15 V
- Rýchlosť podávania drôtu 1,2 m. min-1
- Rýchlosť navárania 5 mm. s-1
- Prietokové množstvo ochranného plynu Ar 15 l. min-1
- Predfuk: 2,5 s; dofuk 8,5 s
- W elektróda: typ WLa 15, priemer 2,4 mm
- Vyloženie W elektródy 5 mm
- Vzdialenosť W elektróda – povrch plechu 5 mm
- Posuv horáka medzi jednotlivými húsenicami 3 mm
Pred naváraním bol aj pri tejto technológii použitý predohrev na teplotu 300°C.

Návary vytvorené vyššie uvedenými technológiami boli následne tepelne spracované na odstránenie vnútorných napätí a dosiahnutie požadovanej tvrdosti ohrevom na teplotu 610°C s výdržou na tejto teplote 2 hodiny a následným ochladzovaním na vzduchu. Nábeh na danú teplotu trval 2 hodiny 20 minút. Výsledná tvrdosť návarov po tepelnom spracovaní bola cca. 44-46 HRC (434-458 HV30).

Obr. 3: Záznam z ultrazvukovej kontroly návaru CMT

Dosiahnuté výsledky
Na základe realizovanej vizuálnej skúšky je možné konštatovať, že jedinou vyskytujúcou sa chybou bol rozstrek, chyba č. 602 podľa STN EN ISO 6520-1. Najintenzívnejšie znečistenie povrchu bolo zaznamenané u návaru vyrobeného metódou CMT, Obr.2b. U tohto typu návarov ultrazvuková kontrola preukázala prítomnosť vnútorných pórov, Obr.3. Najmenší počet chýb bol detegovaný pri naváraní metódou TOPTIG, ani na jednej z línií skenovania nebola detegovaná žiadna vnútorná chyba.
Namerané priemerné hodnoty tvrdosti návarov jednotlivých vzoriek sú v Tabuľke 3. Namerané hodnoty zodpovedajú použitým materiálom po ich tepelnom spracovaní.

Tab. 3: Priemerné namerané hodnoty tvrdosti HV0,5

Veľkosť TOO bola hodnotená na metalografických výbrusoch, po naleptaní 3% roztokom HNO3. Mikrostruktúry s nameranými hodnotami TOO sú dokumentované na obr. 4. Najmenšiu hrúbku teplom ovplyvnenej oblasti vykazovala vzorka 01 – (vzorka naváraná laserom), obr. 4a. Oblasť TOO bola hrubá 230,6 μm. K metódam minimalizujúcim vnesené teplo do podnávarových oblastí je možné zaradiť tiež metódu CMT, čo je dokumentované na obr. 4b. U vzorky 02 bola nameraná hrúbka TOO 1217 μm. Približne rovnaké hodnoty hrúbok TOO boli zaznamenané u vzoriek 03 a 04, čo je zaznamenané na obr. 4c a 4d. U vzorky naváranej metódou MIG Pulse bola hrúbka TOO 1937 μm a u vzorky naváranej metódou TOP TIG bola hrúbka TOO 2136 μm.

Obr.4 Mikroštruktúry s nameranými hrúbkami TOO a) vzorka 01 - naváraná laserom, b) vzorka 02 – naváraná metódou CMT, c) vzorka 03 – naváraná MIG Pulse, d) vzorka 04 – naváraná TOPTIG

Podnávarové oblasti u stredne a vysokolegovaných typov ocelí sú častým zdrojom chýb, resp. miestom ich iniciácie, vzhľadom k heterogenite štruktúr v týchto oblastiach. Práve vplyvom vneseného tepla dochádza k výraznému zhrubnutiu zŕn, štruktúrnym premenám, precipitácii karbidov a koncentrácii vnútorných napätí. Na obr. 5 až obr. 8 sú záznamy zo svetelného mikroskopu a realizovaná chemická analýza vo vybraných spektrách vzoriek pomocou SEM s chemickým analyzátorom.

Obr.5 Štruktúrna analýza vzorky 01, chemická analýza v oblasti premiešania

Obr.6 Štruktúrna analýza vzorky 02, chemická analýza v oblasti premiešania

Obr.7 Štruktúrna analýza vzorky 03, chemická analýza v oblasti premiešania

Obr.8 Štruktúrna analýza vzorky 04, chemická analýza v oblasti premiešania

Chemická analýza bola realizovaná pri každej vzorke z troch bodov, a to z oblasti krycej vrstvy návarového kovu a z oblasti medzivrstvy. Zo záveru tejto analýzy je zrejmé, že chemická kompozícia návarových ako aj medzivrstiev zodpovedá použitému prídavnému materiálu a vplyvu technológie na metalurgické procesy.

Záver
Príspevok prezentuje výsledky výskumu hodnotenia akosti návarových vrstiev vyhotovených ma základnom materiály, ktorým bola oceľ 1.2343 DIN - X38CrMoV51 pomocou štyroch progresívnych technológií navárania. Použité bolo naváranie laserom, metódou CMT, MIG Pulse a TOP-TIG. Návar bol vyhotovený v dvoch vrstvách pri použití automatizovaného navárania s prídavným materiálom, ktorým bol drôt Uddeholm Deivar 1.2344, DIN - X40CrMoV51 s priemerom 1,2 mm. Výskum bol zameraný na posúdenie vplyvu technológie a parametrov navárania na akosť návarov a tiež aj na zmeny v podnávarových oblastiach TOO, ktoré bývajú častým zdrojom chýb a iniciátorom ich vzniku. Na základe realizovaných experimentov je možné pre naváranie odporučiť najmä metódy navárania laserom, MIG Pulse a TOP-TIG. U metódy CMT je potrebná dôsledná optimalizácia parametrov navárania za účelom minimalizácie prítomnosti vonkajších, no najmä vnútorných chýb. Optimalizácii procesu tejto progresívnej technológie sa budeme ešte v budúcnosti intenzívne venovať.

Text/Foto prof. Ing. Ján Viňáš, PhD.1), prof. Ing. Janette Brezinová, PhD.1), assoc. prof. Dr. Balázs Mikó, Ph.D.2)
1) Technická univerzita v Košiciach, Strojnícka fakulta TUKE, Slovensko
2) Institute of Material and Manufacturing Science, Óbuda University Budapest, Hungary

Poďakovanie
Príspevok vznikol v rámci riešenia projektu APVV-20-0303 - Inovatívne prístupy pri obnove funkčných povrchov laserovým naváraním, projektu APVV-16-0359 - Využitie inovatívnych technológií obnovy funkčných plôch foriem na výrobu odliatkov pre automobilový priemysel a projektu VEGA 1/0497/20 - Aplikácia progresívnych technológií pri obnove funkčných plôch výrobkov.

Odborný príspevok recenzoval: Ing. Ivan KOVÁČ, PhD.; SZS; Ing. Simona MRKVOVÁ, PhD.; SZS

Literatúra:
[1] Bradley, R.K. Education in plastics manufacturing: Aluminum mold making and injection molding. Int. J. Mech. Eng. Educ. 2022,
[2] Moritzer, E. - Martin, Y. Experimental investigations on the fibre length degradation in injection moulds. In Proceedings of the AIP Conference Proceedings; 2017,1-17.
[3] Brezinová, J. et al.: Progressive CMT cladding for renovation of casting mold. Acta Metall. Slovaca 2020,104-110.
[4] Hou, Y.; et al.: Mechanism of pitting corrosion induced by inclusions in Al-Ti-Mg deoxidized high strength pipeline steel. Micron 2020, 1-20.
[5] Sharshin, V.N et al.: Improvement of the technology of remelting waste and chips of aluminum alloys with raised iron content. Litejnoe Proizv. 1997.
[6] Barth, C.F.; et. al.: On the Mechanism of Localized Corrosion of Iron and Stainless Steel II. Morphological Studies; 1972;
[7] Najbolj, I. et al.: ASM Handbook; et al. Thermo-Mechanical Fatigue of Hot Work Tool Steels. 6th Int. Tool. Conf. 2013.
[8] Camargo, S.A et al.: Assessment of thermal behavior of a cooling system to reduce thermal fatigue cracks in aluminum injection molds. Rev. Lib. 2020, p75.