STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI STALI KONSTRUKCYJNEJ BOROWANEJ LASEROWO STRUCTURE AND PROPERTIES OF LASER BORIDED CONSTRUCTIONAL STEEL

Transkrypt

1 KRZYSZTOF WIŚNIEWSKI 1, ALEKSANDRA PERTEK 1 STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI STALI KONSTRUKCYJNEJ BOROWANEJ LASEROWO STRUCTURE AND PROPERTIES OF LASER BORIDED CONSTRUCTIONAL STEEL STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wpływ borowania laserowego na strukturę, mikrotwardość oraz odporność na zu- Ŝycie przez tarcie warstwy wierzchniej wytworzonej na stali konstrukcyjnej. Borowanie polegało na laserowym przetapianiu powierzchni stali pokrytej pastą zawierającą bor amorficzny. Mikrotwardość badano wzdłuŝ osi ścieŝki przetopionej jak równieŝ na styku stref przetopionych, prostopadle do skanowanej powierzchni. Wykazano, Ŝe ze wzrostem szybkości skanowania mikrotwardość strefy przetopionej wzrasta od 700 HV do 1400 HV. Maksymalna twardość odpowiada twardości borków Ŝelaza. Warstwy borowane laserowo charakteryzują się korzystnym profilem twardości, twardość stopniowo zmniejsza się w głąb materiału. Odporność na zuŝycie przez tarcie badano metodą wagową i wykazano, Ŝe zuŝycie po borowaniu zaleŝy od parametrów obróbki laserowej. Przeprowadzone badania wskazały na moŝliwość borowania z zastosowaniem techniki stopowania borem warstwy wierzchniej stali za pomocą wiązki laserowej. Słowa kluczowe Borowanie laserowe, mikrostruktura, mikrotwardość, odporność na zuŝycie. SUMMARY Affect of laser boriding on structure, microhardness and wear resistance of surface layers produced on constructional steel is presented. Boriding was based on laser re-melting of surface layer coated with paste containing amorphous boron. Microhardness was tested along the axis of melted zone and also along the contact line of melted zone, perpendicular to scanned surface. It was proved, that together with increasing scanning speed the average microhardness in remelted zone increased from 700 HV to 1400 HV. Maximum microhardness corresponds to iron borides microhardness. Microhardness profile of borided layers were characterized as advantageous. Microhardness gradually decreased down to the core. Wear resistance was tested using weight method. It was shown, that the wear after boriding depended on laser treatment parameters. Research indicated for the ability of surface layer boriding with the use of boron alloying technique with laser beam. Key words Laser boriding, microstructure, microhardness, wear resistance. 1. WPROWADZENIE Borowanie jest znanym procesem zwiększania trwałości części maszyn i narzędzi, który znalazł praktyczne zastosowanie w róŝnych obszarach techniki np. w technice wojskowej przy produkcji sworzni pojazdów gąsienicowych, w technice górniczej np. do produkcji świdrów, jak i w technice narzędziowej do produkcji wkładek matrycowych i form odlewniczych itp. Przeprowadza się je zazwyczaj metodą gazową, jarzeniową lub proszkową. Typowe warstwy borowane mają charakterystyczną strukturę borków FeB i Fe 2 B występujących w postaci igieł ułoŝonych prostopadle do powierzchni obrabianego materiału, o twardości dochodzącej do 2000 HV zachowanej do 800 C. Warstwy tradycyjnie borowane cechują się równieŝ wysoką odpornością na zuŝycie przez tarcie, wysoką odpornością korozyjną i Ŝaroodpornością. Przy tak interesujących właściwościach aplikacyjnych borki Ŝelaza wykazują kruchość często spotykaną w przypadku występowania faz o tak duŝej twardości oraz pewną porowatość [1-4]. Istnieją metody obniŝania 1 Politechnika Poznańska 84 INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

2 TABLICA 1. Skład chemiczny stali uŝytej do badań [% wag] TABLE 1. Chemical composition of steel used for tests [wt %] C Mn Si Cr Mo Ni P S Cu 0,433 0,570 0,250 0,966 0,172 0,070 0,026 0,021 0,138 kruchości do których zalicza się wytwarzanie jednofazowych warstw borowanych (Fe2B), kompleksowych warstw borowanych np. boronawęglanych a takŝe laserową modyfikację borowanej stali [4-12]. Współcześnie technika laserowa odgrywa coraz większą rolę w zastosowaniach przemysłowych. Lasery technologiczne są łatwo integrowalne z liniami produkcyjnymi, a obróbka za pomocą lasera odbywa się w sposób bardzo szybki i selektywny, pozwalając zaoszczędzić na czasie obróbki jak równieŝ obrobić detal tylko tam, gdzie obróbka taka jest wymagana. Stopowanie laserowe powierzchni eliminuje konieczność stosowania szczelnej aparatury do obróbki w toksycznych lub wybuchowych gazach przez co technologia staje się bardziej bezpieczna i proekologiczna [12]. cam 3200 i skaningowej mikroskopii elektronowej w kontraście elektronów wtórnych przy uŝyciu mikroskopu Tescan VEGA Mikrotwardość badano na zgładzie poprzecznym przy uŝyciu mikrotwardościomierza Zwick 3212 przy obciąŝeniu 0,98 N (HV0,1). Twardość mierzono w osi i na styku ścieŝek laserowych. Odporność na zuŝycie przez tarcie badano metodą wagową z zastosowaniem urządzenia MBT-01 typu Amsler w układzie: próbka (pierścień) przeciwpróbka (węglik spiekany). Miarą zuŝycia jest ubytek masy materiału w czasie próby, przypadający na jednostkę powierzchni, w jednostce czasu, określany wzorem (1): Iz = 2. METODYKA BADAŃ m mg F τ cm 2 h (1) gdzie: Borowanie laserowe stali polega na przetopieniu warstwy wierzchniej materiału z materiałem stopującym dodawanym róŝnymi metodami. W niniejszej pracy zastosowano metodę przetapiania warstwy wierzchniej materiału z pastą stopującą zawierającą bor amorficzny. Do badań zastosowano stal o składzie chemicznym przedstawionym w tablicy 1. Próbki do badań miały kształt pierścienia o średnicy zewnętrznej 20 mm, wewnętrznej 12 mm i wysokości 12 mm. Materiał został wstępnie ulepszony cieplnie. Stopowanie przeprowadzano za pomocą lasera technologicznego CO2 typu TRUMPF TLF 2600 o mocy nominalnej 2,6 kw, sprzęŝonego z tokarką zapewniającą moŝliwość obróbki materiału zarówno wzdłuŝ linii prostej jak i śrubowej, co zostało wykorzystane w niniejszej pracy. Materiał stopujący zawierający bor amorficzny naniesiono na zewnętrzną powierzchnię cylindryczną pierścienia i stopowano kierując wiązkę wzdłuŝ linii śrubowej ze skokiem 0,75 mm. Borowanie prowadzono wiązką o mocy 2 0,91 kw (gęstości mocy q = 28,98 kw/cm ), przy prędkości skanowania v = 0,67 i 3,84 m/min, wiązką o średnicy d = 2mm. Wytworzone warstwy badano pod kątem mikrostruktury, mikrotwardości i odporności na zuŝycie przez tarcie. Badania mikrostruktury i mikrotwardości przeprowadzono na zgładach metalograficznych prostopadłych do powierzchni próbki. Mikrostruktura zgładu została ujawniona poprzez trawienie za pomocą 2% nitalu. Obserwacje mikroskoppowe prowadzone były przy pomocy mikroskopii świetlnej przy uŝyciu mikroskopu optycznego Metaval zintegrowanego z kamerą mikroskopową Moti- INśYNIERIA POWIERZCHNI NR Iz m F τ wskaźnik intensywności ŜuŜycia wagowego, ubytek masy [mg], 2 powierzchnia tarcia [cm ], czas tarcia [h]. 3. WYNIKI BADAŃ Mikrostruktura warstwy borowanej laserowo składa się z sąsiadująco ułoŝonych ścieŝek o osiach odległych od siebie o stałą wartość skoku linii śrubowej wzdłuŝ której przebiegała obróbka laserowa. Wymiary poszczególnych ścieŝek i ich struktura zaleŝą od uŝytych parametrów lasera technologicznego. ŚcieŜki Rys. 1. Mikrostruktura warstwy borowanej laserowo; P = 0,91 kw, v = 0,67 m/min (mikroskopia optyczna) Fig. 1. Microstructure of laser borided layer; P = 0,91 kw, v = 0,67 m/min (light microscopy) obrabiane przy zastosowaniu mniejszych prędkości skanowania (większa gęstość energii) wykazują większe wymiary strefy przetopionej niŝ te, które obrabia- 85

3 Rys. 2. Mikrostruktura warstwy borowanej laserowo; P = 0,91 kw, v = 0,67 m/min (mikroskopia świetlna) Fig. 2. Microstructure of laser borided layer; P = 0,91 kw, v = 0,67 m/min (light microscopy) Rys. 4. Mikrostruktura strefy przetopionej, przy powierzchni; P = 0,91 kw, v = 3,84 m/min (SEM) Fig. 4. Microstructure of melted zone, near surface; P = 0,91 kw, v = 3,84 m/min (SEM) Rys. 3. Mikrostruktura strefy przetopionej, przy powierzchni; P = 0,91 kw, v = 0,67 m/min (SEM) Fig. 3. Microstructure of melted zone, near surface; P = 0,91 kw, v = 0,67 m/min (SEM) Rys. 5. Profile mikrotwardości w osi ścieŝek borowanych laserowo Fig. 5 Microhardness profiles in axis of laser borided tracks no stosując większe prędkości skanowania. Głębokość strefy przetopionej przy zastosowanych parametrach wynosiła odpowiednio 380 µm (rys. 1) do 180 µm (rys. 2). Mikrostruktura strefy przetopionej zaleŝy od uŝywanych parametrów obróbki laserowej. W przypadku warstw obrabianych z zastosowaniem małej prędkości skanowania (0,91 kw, 0,67 m/min) uzyskano strukturę komórkową martenzytu (rys. 3) w zarysie struktury pierwotnej, pomiędzy gałęziami którego znajduje się eutektyka borkowa. W przypadku obróbki z większymi prędkościami (rys. 4) struktura ulega znacznemu rozdrobnieniu, nie obserwuje się wyraźnych gałęzi dendrytów poprzecinanych zgładem, a jedynie sporadycznie występujące skupiska małych dendrytów o długości nie przekraczającej w ich osi 5 µm obserwowane szczególnie przy powierzchni i granicy ze strefą wpływu ciepła. 86 Mikrotwardość warstw borowanych laserowo istotnie zaleŝy od parametrów obróbki laserowej. Pomiary mikrotwardości przeprowadzono zarówno w osi ścieŝki jak i na styku sąsiadujących ścieŝek. Profile zestawiono na rys. 5 i 6. Mikrotwardość strefy przetopionej warstw obrabianych przy małej prędkości skanowania wynosi około 700 HV i jest znacznie niŝsza niŝ obrabianych z uŝyciem większych prędkości skanowania (rys.5). Dla warstw obrabianych przy parametrach 0,91 kw i 3,84 m/min twardość dochodzi do 1400 HV, zatem bliskiej twardości typowych warstw borowanych dyfuzyjnie wynoszącej HV. Twardość strefy wpływu ciepła w niewielkim stopniu zaleŝy od uŝywanych parametrów borowania laserowego i wynosi około 850 HV, zatem jest nieco wyŝsza od twardości stali INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

4 hartowanej w oleju. Cechą charakterystyczną dla warstw borowanych laserowo, odróŝniającą je od warstw borowanych dyfuzyjnie, jest łagodny, schodkowy przebieg profilu twardości, w którym twardość zmniejsza się w głąb materiału, korzystnie obniŝając duŝy gradient twardości, będący jednym z podstawowych mankamentów warstw borowanych dyfuzyjnie. 1000HV), ale sięga do głębokości ok. 400 µm. Taki stan rzeczy wpływa na wyniki badań zuŝycia wagowego przez tarcie, które przedstawiono na rys. 7. W początkowym okresie zachodzi docieranie warstwy wierzchniej, a następnie zuŝycie ustalone, którego przebieg ma charakter linii prostej. Jak wskazują otrzymane wyniki nieznacznie wyŝszą odpornością przez tarcie (niŝszym Iz) charakteryzują się próbki borowane pokryte ścieŝkami o niŝszej twardości, ale o większej głębokości strefy przetopionej. 4. WNIOSKI Rys. 6. Profile mikrotwardości na styku stref przetopionych ścieŝek borowanych laserowo Fig. 6. Microhardness profiles on contact line of melted zones of laser borided tracks Przeprowadzone badania wykazały moŝliwość borowania stali konstrukcyjnej z zastosowaniem przetapiania laserowego warstwy wierzchniej stali z pastą stopującą zawierającą bor amorficzny. Do obróbki laserowej uŝyto układu śrubowo rozmieszczonych ścieŝek stykających się ze sobą strefami przetopionymi. W wyniku zastosowania duŝej gęstości mocy lasera 28,98 kw/cm 2 i zmiennej prędkości skanowania wiązki 0,67 i 3,84 m/min uzyskuje się warstwy wierzchnie zawierające strefę przetopioną o twardości od ok. 700 do 1400 HV i strefę wpływu ciepła o twardości ok. 800 HV przy całkowitej głębokości ścieŝek ok µm. Warstwy borowane laserowo charakteryzują się korzystnym profilem twardości, która stopniowo zmniejsza się w głąb materiału. W strefie przetopionej występuje struktura od komórkowej do dendrytycznej o duŝej niejednorodności, róŝnym kształcie i znacznym rozdrobnieniu przy zastosowaniu wyŝszej prędkości skanowania, składająca się z borków Ŝelaza oraz martenzytu. Nieznacznie wyŝszą odpornością na zuŝycie przez tarcie dla zastosowanych warunków obróbki laserowej charakteryzują się ścieŝki o niŝszej twardości, większej głębokości strefy przetopionej i jednorodnej mikrostrukturze od ścieŝek o wyŝszej twardości, ale mniejszej głębokości i zróŝnicowanej mikrostrukturze w obszarze strefy przetopionej. Rys. 7. ZuŜycie wagowe po borowaniu laserowym Fig.7. Weight wear after laser boriding Odmiennie przedstawiają się profile mikrotwardości na styku ścieŝek laserowych (rys. 6). Dla małych prędkości skanowania zarówno głębokości strefy przetopionej w osi, jak i na styku ścieŝek są większe od uzyskanych dla duŝych prędkości skanowania. Dla duŝych prędkości skanowania (3,84 m/min) twardość przy powierzchni strefy przetopionej jest wysoka (1700HV), ale bardzo szybko spada i na głębokości ok. 70 µm osiąga twardość strefy wpływu ciepła (800HV), która rozciąga się do głębokości ok. 170 µm. Tymczasem dla małej prędkości przesuwu wiązki (0,67 m/min) twardość jest niŝsza (800 - LITERATURA [1] Wierzchoń T.: The role of glow discharge in the formation of boride layer on steel in the plasma boriding process. Advances in low-temperature plasma, chemistry, technology, applications. Technomic Publishing Co. INC. Lancaster-Basel, USA,1988, vol.2. [2] Przybyłowicz K.: Teoria i praktyka borowania stali. Wyd. Pol. Świętokrzyskiej, Kielce [3] Pertek A.: Kształtowanie struktury i właściwości warstw borków Ŝelaza otrzymywanych w procesie borowania gazowego. Monografia, Seria: Rozprawy, nr 365, Wyd. Pol. Poznańskiej, Poznań, [4] Safonov A.N.: Osobiennosti borirovanija Ŝeleza i stalej s pomoszczju nieprierywnogo CO 2 lazera. INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

5 Metalovedenije i Termiceskaja Obrabotka Metallov, 1, 1998, s [5] Kulka M., Pertek A.: Microstructure and properties of borided 41Cr4 steel after laser surface modification with re-melting. Appl. Surf. Sci., 214, 2003, s [6] Gopalakrishnan P., Shankar P., Subba Rao R.V., Sundar M., Ramakrishnan S.S.: Laser surface modification of low carbon borided steels, Scripta Mater., 44, 2001, s [7] Paczkowska M., Waligóra W.: Ocena wpływu szybkości chłodzenia na efekty borowania laserowego Ŝeliwa sferoidalnego. InŜynieria Materiałowa, Vol. 27, nr 3, 2006, s [8] Wiśniewski K., Pertek A.: Laser boriding of 41Cr4 steel. I International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists InterTech 2008 Proceedings, 2008, s [9] Pertek, A., Kulka, M., Wiśniewski, K.: Laser surface re-melting of borided layer. InŜynieria Materiałowa, Vol. 28, nr 3-4, 2007, s [10] Bamberger M.: Laser surface hardening of structural ferrous alloys. International Materials Review, Vol. 43, nr 5, 1998,s.189. [11] Draper C. W., Poate J. M.: Laser surface alloying. International Metal Reviews, Vol.30, nr 2, 1985, s. 85. [12] Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inŝynierii materiałowej. Wyd. Akapit, Kraków, PONIEDZIAŁEK Instytut Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie u p r z e j m i e z a p r a s z a n a k u r s s z k o l e n i o w y pt. OBRÓBKA CIEPLNA METALI który odbędzie się na terenie Instytutu w Warszawie ul. Duchnicka 3, w listopadzie br. P R O G R A M K U R S U Podstawy obróbki cieplnej Podstawowe operacje obróbki cieplnej Obróbka cieplna atmosferowa wytwarzanie róŝnych atmosfer Nawęglanie w atmosferach endotermicznych i z ciekłych związków Azotonawęganie i węgloazo-towanie atmosferowe podstawy procesów Kontrola atmosfer i ich potencjałów węglowych i azotowych WTOREK Urządzenia do obróbki cieplnej atmosferowej Chłodziwa hartownicze Podstawy azotowania, stale, twardości, struktury Gazowe procesy azotowania regulowanego, urządzenia, bhp Azotowanie jonowe, podstawy procesu, urządzenia, technologia Zabezpieczenie przed azotowaniem, kontrola wyników, bhp Stale narzędziowe i ich zastosowanie Obróbka cieplna narzędzi hartowanie, odpuszczanie, wymraŝanie ŚRODA Podstawy obróbki próŝniowej, oddziaływanie próŝni, redukcja, sublimacja Urządzenia do obróbki cieplnej próŝniowej Zabiegi technologiczne, procesy i technologie obróbki cieplnej próŝniowej Obróbka cieplna fluidalna podstawy oraz budowa urządzeń technologie Ochrona środowiska i bhp Podstawy wytwarzania powłok PVD oraz typowe zastosowania Urządzenia i technologie PVD + ćwiczenia Metody badań warstw wzbogaconych węglem i/lub azotem CZWARTEK Metody badania twardości i obowiązujące normy Ćwiczenia z badań twardości Badanie napręŝeń po obróbce cieplnej Ćwiczenia z badań napręŝeń aparatem rentgena i wirotestem Badania struktur metodą mikroskopową Ćwiczenia z przygotowania zgładów i badań mikroskopowych Badania wytrzymałościowe udarność, wytrzyma-łość na rozciąganie i inne Ćwiczenia z wytrzymałości materiałów na podstawie PN PIĄTEK Ćwiczenia z badania hartowności Ćwiczenia z obsługi urządzeń do obróbki cieplnej atmosferowej Ćwiczenia z obsługi urządzeń do obróbki cieplnej próŝniowej Ćwiczenia z obsługi urządzeń fluidalnych Ćwiczenia z urządzeń do azotowania gazowego i jonowego Ćwiczenie poglądowe z chromowania gazowego Do wzięcia udziału w kursie zapraszamy zarówno technologów, konstruktorów i projektantów jak i operatorów obróbki cieplnej. INFORMACJE ORGANIZACYJNE Termin zgłoszenia uczestnictwa w kursie oraz przelania naleŝności na konto Instytutu Mechaniki Precyzyjnej upływa z dniem r. Koszt kursu 990 zł/osobę (VAT zwolniony). Zakwaterowanie i wyŝywienie (poza obiadami, które wydawane będą na terenie Instytutu) kursantów we własnym zakresie. Materiały szkoleniowe uczestnicy otrzymają w dniu rozpoczęcia kursu. Informacje merytoryczne: dr inŝ. Tadeusz śółciak, tel , zolciak@imp.edu.pl Informacje organizacyjne, zgłoszenia uczestnictwa: Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Ośrodek Szkoleniowy, ul. Duchnicka 3, Warszawa mgr inŝ. Henryk ANDRZEJEWSKI tel ; ; ; fax , inte@imp.edu.pl 88 INśYNIERIA POWIERZCHNI NR

6 INśYNIERIA POWIERZCHNI NR