27/34 STAN WARSTWY WIERZCHNIEJ I BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY ZE STALI SW7M OBROBIONEJ WIĄZKĄ LASEROWĄ. ZIELECKI Władysław, MARSZAŁEK Józef

Transkrypt

1 27/34 Solidification of Metais and Alloys, No.27, 1996 Knepnięcie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 P AN - Oddział Katowice PL ISSN STAN WARSTWY WIERZCHNIEJ I BADANIA ZUŻYCIA OSTRZY ZE STALI SW7M OBROBIONEJ WIĄZKĄ LASEROWĄ ZIELECKI Władysław, MARSZAŁEK Józef Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Folitechnika Rzeszowska Rzeszów, ui.w.pola 2 l. WPROW ADZENIE W ostatnich dziesięcioleciach coraz powszechniej są stosowane oraz intensywnie doskonalone niekonwencjonalne sposoby obróbki wykorzystujące skoncentrowane i wysokoenergetyczne strumienie cząstek elementarnych (fotonów, elektronów, jonów). Wiązki wysokoenergetyczne stosowane są zarówno w operacjach obróbki kształtującej jak i obróbki powierzchniowej, w trakcie których następuje modyfikowanie właściwości warstwy wierzchniej oraz jakości użytkowej materiałów konstrukcyjnych. Ze względu na różnorodność technologicznych zastosowań wiązek wysokoenergetycznych, wynikającą z dużej i regułowalnej w szerokim zakresie gęstości mocy, oraz znaczne zróżnicowanie właściwości fizycznych i chemicznych tworzyw konstrukcyjnych szczególnego znaczenia nabierają badania wpływu parametrów technologicznych na stan warstwy wierzchniej i właściwości użytkowe materiałów poddanych obróbce skoncentrowanymi strumieniami energii. Opracowanie dla każdego materiału funkcji konstytuowania warstwy wierzchniej oraz określenie zależności pomiędzy cechami warstwy wierzchniej a właściwościami użytkowymi materiału umożliwia ustalenie przydatności technicznej i efektywności ekonomicznej procesów obróbki skoncentrowanymi strumieniami energii oraz opracowanie zaleceń normatywnych o charakterze technologiczno-eksploatacyjnym. Wśród materiałów konstrukcyjnych szczególne miejsce zajmują materiały narzędziowe przeznaczone do wytwarzania pomocy warsztatowych, które powinny cechować się dużą trwałością. Od wielu lat prowadzone są badania wpływu obróbki laserowej na właściwości materiałów narzędziowych. Ukierunkowane są one na badanie zmian struktury stali narzędziowych wywołanych obróbką laserową oraz badanje procesów zużycia narzędzi umocnionych powierzchniowo wiązką laserową.

2 248 W dotychcza$owych badaniach procesów obróbki laserowej stali narzędziowych koncentrowano się na ustaleniu wpływy parametrów nagrzewania laserowego na przebieg przemian fazowych [3) oraz głębokość hartowania [1,2]. Badania eksploatacyjne laserowo umocnionych krawędzi skrawających frezów palcowych, noży Fellowsa, przeciągaczy, wierteł wykazały możliwość zwiększenia ich trwałości o % (4,5]. Równie korzystne rezultaty przynosi laserowa obróbka powierzchni matryc i stempli do przeróbki plastycznej. Ich trwałość po umacnianiu laserowym zwiększa się5-7 razy [5]. 2. BADANIA WŁASNE Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu powierzchniowej obróbki laserowej na stan warstwy wierzchniej oraz zużycie ostrzy ze stali SW7M. Stal narzędziowa SW7M charakteryzuje się dobrą ciągliwością oraz wysoką odpornością na ścieranie, skłonna jest ona jednak do odwęglania i przegrzewania przy hartowaniu. Wykonuje się z niej najczęściej narzędzia obciążone momentem skręcającym wiertła, rozwiertaki, frezy palcowe, gwintowniki, frezy obwiedniowe. Próbki do badań, wykonane w postaci kwadratowych płytek 30x30 mm i grubości 4,5 mm, wstępnie obrobiono cieplnie w następujący sposób: hartowanie l200 C- piec solny, chłodzenie 560 C - w roztworze soli, dwukrotne odpuszczanie w piecu wgłębnym. W następstwie tak przeprowadzonej obróbki próbki posiadały twardo ść HRC 60±1. Przed wykonaniem obróbki laserowej pokryto je warstwą grafitu w celu zwiększenia współczynnika absorpcji promieniowania laserowego przez powierzchnię. Powierzchniową obróbkę laserową przeprowadzono w Pracowni Gazów Zjonizowanych Zakładu Mechaniki Cieczy i Gazów IPPT PAN w Warszawie laserem C0 2 o maksymalnej mocy 400 W. Warunki obróbki laserowej stali SW7M podano w tab. l. Nagrzewanie laserowe wykonane wg wariantów SW7ML1, SW7ML2, SW7ML3 spowodowało przetopienie warstwy powierzchniowej badanej stali. Badania stereometrii powierzchni obejmowały : sporządzenie profilogramów, pomiary wybranych parametrów chropowatości oraz wykonanie fotografii powierzchni. Profilogramy powierzchni wykonano na profilografometrze ME-l O przy stałych powiększeniach pionowym looox i poziomym 40x. Pomiary średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości R. wykonano profilometrem Surtronic-2. Wyniki badań struktury stereometrycznej powierzchni przedstawiono na rys. l i 2. Nagrzewanie laserowe stali SW7M spowodowało pogorszenie chropowatości powierzchni. Średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropow atoś ci zwiększyło się z R.== 0,5 J.lm do R.== 0,6-1,85 J.lffi. Na powierzchniach próbek przetopionych uformowane zostało wypiętrzenie materiału, kształtem przypominające spoinę lub napoinę, o wysokości 0,02-0,03 mm. W miejscu oddz i aływania wiązki laserowej powierzchnia pokrytajest warstwą tlenków (rys.3 b, c) Badania struktury warstwy wierzchniej przeprowadzono na zgładach prostopadłych trawionych 3o/o--owym alkoholowym roztworem HN0 3. Mikrofotografie struktury badanych próbek przeprowadzono na mikroskopie optycznym Neophot-2. Przed obróbką laserową stal SW7M posiadała poprawną strukturę z łożoną z drobnoziarnistego, odpuszczonego martenzytu, licznych drobnych węglików wtórnych

3 i nielicznych dużych węglików pierwotnych. Wykazywała też, charakterystyczną pasmową strukturę, wytworzoną uprzednią przeróbką plastyczną (rys. 4a). W próbkach nagrzewanych wiązką laserową występuje wyraźny obszar wpływu ciepła. Powierzchnia wpływu ciepła próbek obrobionych dwoma przejściami wiązki laserowej jest znacznie większa od obrobionych jednym przejściem. Struktura próbek powierzchniowo przetopionej złożona jest ze strefy przetopionej, w której rozpuszczeniu uległy wszystkie węgliki, strefy wtórnie zahartowanej, strefy odpuszczonej przechodzącej w rdzeń (rys. 4 b, c, d, rys. 5). Natomiast w próbkach powierzchniowo zahartowanych występuje strefa wtóroego hartowania oraz strefa odpuszczona i rdzeń (rys. 4 e, f). Pomiary mikrotwardości warstwy wierzchniej wykonano na mikrotwardościomierzu PMT-3 wgłębnikiem Vickersa obciążonym siłą 2 N (200 G) i czasie obciążenia 15 s. Pomiary przeprowadzono w głąb strefy wpływu ciepła z trzykrotną powtarzalnością. Wyniki pomiarów mikrotwardości przedstawiono na rys. 6. Mikrotwardość strefy przetopionej powierzchniowo jest o 25-30% mniejsza od mikro twardości rdzenia, strefy wtórnie zahartowanej jest o 10-15% większa od mikrotwardości rdzenia, zaś strefy odpuszczonej o l 0% mniejsza. Zmiany mikrotwardości warstwy wierzchniej wywołane obróbką laserową sięgają na głębokość 0,5 mm. Zużycie ostrzy ze stali SW7M wyznaczono podczas toczenia powierzchni czołowej tarczy wykonanej z normalizowanej stali 45 o średnicy zewnętrznej Dz = 216 mm i wewnętrznej Dw = 29 mm. Płytki z badanej stali, o kształcie i wymiarach przedstawionych na rys. 7, mocowano w nożu oprawkowyro UR R3225. Badania przeprowadzono przy następujących parametrach skrawania: prędkość obrotowa n = 224 obr/min, posuw p= 0,24 mm/obr, głębokość skrawania g= 0,5 mm. Toczenie realizowano do momentu przetoczenia całej powierzchni lub do zniszczenia ostrza. W przypadku zniszczenia ostrza mierzono średnicę Dk, na której wystąpiło wykruszenie ostrza. Za miarę trwałości ostrza przyjęto prędkość skrawania vk. przy której nastąpiło zniszczenie ostrza (wyznaczaną z zależności (1)), oraz drogę skrawania Lk do momentu wykruszenia się ostrza (wyznaczaną z zależności (2)). 249 V =n D k 3\8 (l) J[, L = - (D -D ). k 4p k w (2) Wyniki badań zużycia ostrzy ze stali SW7M obrobionych wiązką laserową przedstawiono w tab. 2. Trwałość ostrzy hartowanych powierzchniowo wiązką laserową (próbki SW7ML4, SW7ML5) jest porównywalna z trwałością ostrzy obrobionych tradycyjnie, natomiast trwałość ostrzy przetopionych powierzchniowo jest o 8-24% mniejsza. Zmniejszenie trwałości ostrzy przetopionych powierzchniowo spowodowane jest zmniejszeniem mikrotwardości warstwy wierzchniej.

4 250 Tabela l. Parametry powierzchniowej obróbki laserowej próbek ze stali SW7M Wariant fo V p q te n obróbki f mm l f mm/s l fwl [kw/cm 2 ] r s l SW7MBU nie obrobiona wiazka laserowa SW7ML1 7, ,2 0,07 l SW7ML2 12, ,2 0,11 1 SW7ML3 12, ,2 O, 11 2 SW7MIA 15, ,8 0,13 1 SW7ML5 15, ,8 0,13 2 (,- odległość ogniska wiązki laserowej od powierzchni obrabianej próbki, V - prędkość przemieszczania wiązki laserowej, P - moc wiązki laserowej, q -gęstość mocy wiązki laserowej, te - czas ekspozycji, n - ilość przeiść wiązki laserowej_ Tabela 2. Wyniki badań trwałości ostrzy ze stali SW7M obrobionych wiązką laserową Wariant D, V, Vri;r Lk Lkśr L obróbki [mm] [rnlmin] [m/min] [m] [m] f%1. 216* 152,0 114,4 SW 7MB U 212,2 149,5 151,2 109,8 112,8-216* 152,0 114,4 208,6 146,9 105,5 SW7ML2 203,0 143,0 145,8 99,0 103,6-8, l 209,4 147,5 106,4 194,9 137,1 89,7 SW7ML3 190,7 134,3 134,2 85,6 85,5-24,3 186,6 131,4 81,2 211,8 149,2 l09,3 SW7ML4 213,6 150,5 150,6 111,7 111,8-0,9 216* 152,0 114,4 213,4 150,3 111,2 SW7ML5 216* 152,0 150,2 114,4 111, l -1,6 210,0 148,2 l07,6 Dk - średnica na której wystąpiło zniszczenie ostrza V k - prędkość, przy której nastąpiło zniszczenie ostrza Lk - droga skrawania do chwili zniszczenia ostrza L - zmiana procentowa trwałości ostrzy obrobionych wiązką laserową w stosunku do nie obrobionych * - ostrze nie uległo zniszczeniu

5 251 SW7MBlJ R. = 0,46-0,54 J.l.m SW7MLI R. = 0,60-0,95 J.l.m SW7ML2 SW7ML3 R.= 1,05-1,35 J.l.m SW7ML4 R. = 0,55-0,80 J.l.m SW7ML5 R. = 0,60-0,90 J.l.m I Rys. 1. Profilogramy powierzchni stali SW7M obrobionej wiązką laserową wykonane wzdłuż ścieżki laserowej

6 252 SW7MLI SW7ML3 SW7ML2 SW7ML4 SW7ML5 250pm Rys. 2. Profilogramy powierzchni stali SW7M obrobionej wiązką laserową wykonane w poprzek ścieżki laserowej

7 Rys. 3. Fotografie powierzchni stali SW7M obrobionej wiązką laserową: a) SW7ML1, pow. 100x; b) SW7ML2, pow. loox; c) SW7ML3, pow. 50x; d) SW7ML4, pow. 50x; e) SW7ML5, pow. 50x 253

8 254 Rys. 4. Struktury warstwy wierzchniej stali SW7M obrobionej wiązką laserową: a) SW7MBU, b) SW7ML1, c) SW7ML2, d) SW7ML3, e) SW7ML4, f) SW7ML5, pow. 20x

9 255 eol c Q a o "' C CI,) N "'... Rys. 5. Układ stref wpływu ciepła w warstwie wierzchniej stali SW7M obrobionej wiązką laserową, wariant SW7ML1, pow. 400x

10 256 > :I: 'U -0 o 'C Cli o....li: :E v... / -1 /. V,..., V "'l ;;::: 9"-.3 P< _."d f'...j j a:?'...l b.. '-.::; "" k/ V V --+--SW7MBU l(..., ----SW7ML1 1-f---- _._SW7Ml2 ---*-SW7Ml3 SW7Ml4 1-f SW7Ml5 0,03 0,08 0,13 0,18 0,23 0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 0,53 0,58 0,63 0,68 Głębokość h [mm] Rys. 6. Rozkłady mikrotwardości HV 0 2 w warstwie wierzchniej stali SW7M obrobionej powierzchniowo wiązką laserową Rys. 7. Kształt i wymiary płytek ze stali SW7M do badań trwałości ostrzy obrobionych wiązką laserową

11 PODSUMOW ANIE Powierzchniowa obróbka laserowa stali SW7M powoduje pogorszenie JeJ chropowatości powierzchni, przy czym bardziej niekorzystne jest nagrzewanie powodujące przetopienie warstwy powieuchniowej. Nagrzewanie laserowe i następujące po nim samochłodzenie powoduje zmianę struktury warstwy wierzchniej, konstytuując w niej strefę przetopioną o mikrotwardości mniejszej o 25-30% od twardóści rdzenia, strefę wtórnego hartowania o mikrotwardości o l 0-15% większej od rdzenia oraz strefę odpuszczoną posiadającą mikrotwardość mniejszą o 10% od rdzenia. Zmiany stanu warstwy wierzchniej wywołane powierzchniową obróbką laserową przebiegającą bez topienia warstwy powierzchniowej nie powoduje istotnych zmian trwałości tak umocnionych ostrzy. Natomiast obróbka Jaserowa powodująca przetopienie warstwy powierzchniowej zmniejsza trwałość ostrzy o 8-24% w stosunku do ostrzy obrobionych tradycyjnie. Efektywność laserowego umacniania ostrzy ze stali SW7M może ulec poprawie jeżeli obróbka laserowa uzupebriona zostanie odpuszczaniem, w trakcie którego nastąpiłoby wydzielenie się w strefie wpływu ciepła węglików wtórnych. Sprawdzenie tej tezy wymaga jednak przeprowadzenia dodatkowych badań. LITERATURA l. Burakowski T., Wierzchoń T. : Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa Burakov V. A., Burakova N. M., Semenov A. S., Bw-akowski T., Serżysko J.: Określenie warunków obróbki laserem impulsowym stali narzędziowych w funkcji temperatury i czasu. Metaloznawstwo, Obróbka Cieplna, Inżynieria Powierzchni, nr , 1989, s Bylica A.: Laserowe hartowanie stali NCVI. Materiały III Sympozjum nt. "Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości materiałów", Krasiczyn 1995, s.i Bylica A., Bochnowski W.: Zmiana właściwości eksploatacyjnych narzędzi ze stali SW7M po obróbce laserem impulsowym YAG:Nd. Materiały III Sympozjum nt. "Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości materiałów", Krasiczyn 1995, s.l KoBaneH.Ko B,. C., BepxorypoB A..[\., fonobko JI. <l>., Do)('łepHaeBa l1. A. : Jla3epHOe H :me.ktpohh03p03hojułoe ynpo'llłehhe MarepHartOB. lijaatejlbctbo "HayKa", MocKBa 1986