STRUKTURA I W A CIWO CI KONSTRUKCYJNEJ STALI 42CrMo4 PO REGULOWANYM AZOTOWANIU I LASEROWYM STOPOWANIU BOREM

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 29 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2009 ANETA BARTKOWSKA, ALEKSANDRA PERTEK KRZYSZTOF WI NIEWSKI * STRUKTURA I W A CIWO CI KONSTRUKCYJNEJ STALI 42CrMo4 PO REGULOWANYM AZOTOWANIU I LASEROWYM STOPOWANIU BOREM W artykule omówiono struktur, mikrotwardo i odporno na zu ycie przez tarcie azotowanej stali 42CrMo4 po laserowym stopowaniu borem. Badaniom poddano cie ki u o one wzd u linii rubowej. Po laserowej obróbce w mikrostrukturze stwierdzono wyst powanie trzech stref: przetopionej, wp ywu ciep a i rdzenia. Badania wykaza y stopniowy spadek mikrotwardo ci od powierzchni do rdzenia. Odporno na zu ycie przez tarcie warstw azotowanych, stopowanych borem zale y od parametrów laserowej obróbki cieplnej. S owa kluczowe: azotowanie, borowanie, stopowanie laserowe, struktura, mikrotwardo, odporno na zu ycie przez tarcie 1. WPROWADZENIE In ynieria powierzchni jest pr nie rozwijaj c si dziedzin nauki. Warstwy wierzchnie wytworzone znanymi metodami, jak borowanie, naw glanie, azotowanie, pozwalaj w istotny sposób wp ywa na w a ciwo ci eksploatacyjne wyrobu [2, 4, 5, 8]. Stosowanie kombinacji tych metod ma na celu polepszenie takich w a ciwo ci stali, jak: twardo, odporno na zu ycie przez tarcie, wytrzyma o, przyczepno, odporno na korozj itp. Warstwy wierzchnie mo na otrzyma metodami dyfuzyjnymi przez czenie np. borowania i azotowania [1, 6, 9], jak równie stosuj c stopowanie laserowe stali wcze niej obrobionej dyfuzyjnie [2, 3, 10]. Obróbka laserowa ma na celu wzbogacenie warstwy wierzchniej pierwiastkami przez przetopienie laserowe, w wyniku którego powstaj nowe fazy o strukturze drobnoziarnistej i lepszych w a ciwo ciach u ytkowych [2, 3, 7, 10]. Mgr in. Dr hab. in. Instytut In ynierii Materia owej Politechniki Pozna skiej.

2 84 A. Bartkowska, A. Pertek, K. Wi niewski Mo liwo ci wytwarzania gradientowych warstw w wyniku po czenia technologii azotowania i borowania metod dyfuzyjn i dyfuzyjno-laserow prezentowano we wcze niejszych pracach w asnych [9, 10]. Wykaza y one, e w zale no ci od parametrów technologicznych procesów mo na kszta towa warstwy wierzchnie o ró nej mikrostrukturze, grubo ci i w a ciwo ciach. Wyniki bada warstw azotowanych o strukturze stopowanych borem [10] wykaza y, e wzrost mocy lasera powoduje zwi kszenie porowato ci struktury przy zachowaniu du ej twardo ci. Warstwy otrzymane przy mniejszej mocy lasera charakteryzowa y si mniejsz twardo ci, ale równie mniejsz porowato- ci. Po czenie pierwiastków boru i azotu w warstwie wierzchniej przyczyni o si do zmniejszenia gradientu twardo ci w strefie przej cia od warstwy do pod- o a. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki bada stali 42CrMo4 po azotowaniu regulowanym o najmniejszym potencjale azotowym atmosfery, który powoduje wytworzenie strefy dyfuzyjnej o ograniczonym st eniu azotu. Nast pnie warstw wierzchni stopowano borem z pasty przez zastosowanie nagrzewania wi zk promienia laserowego. 2. METODYKA BADA Program bada obejmowa dobór parametrów procesu regulowanego azotowania i laserowej obróbki (mocy lasera, pr dko ci skanowania wi zki laserowej) w celu uzyskania przetopionej warstwy wierzchniej o dobrych w a ciwo ciach: równomiernej strukturze, du ej twardo ci i ma ej chropowato ci. Badaniom poddano próbki ze stali 42CrMo4 (tabl. 1) w kszta cie pier cienia o wymiarach: rednica zewn trzna 20 mm, rednica wewn trzna 12 mm, wysoko 12 mm. Sk ad chemiczny stali 42CrMo4 [% wag.] Chemical composition of 42CrMo4 steel [wt. %] Tablica 1 C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu 0,40 0,56 0,30 0,022 0,026 0,93 0,27 0,12 0,12 Azotowanie prowadzono metod gazow, w której wykorzystano atmosfer z rozk adu amoniaku NH 3. Zastosowano potencja azotowy Np zapewniaj cy powstanie warstwy azotowanej zawieraj cej stref azotowania wewn trznego o strukturze Proces azotowania prowadzono w temperaturze 550 o C w czasie 22,5 h. Do bada u yto próbek, które przed azotowaniem by y poddane ulepszaniu cieplnemu, tj. hartowaniu z temperatury 850 o C w oleju i odpuszczaniu w temperaturze 580 o C w czasie 1 h.

3 Struktura i w a ciwo ci konstrukcyjnej stali 42CrMo4 85 W laserowym stopowaniu borem wykorzystano past zawieraj c mieszanin boru amorficznego ze szk em wodnym o grubo ci oko o 40 m. Do laserowej obróbki cieplnej stali u yto lasera technologicznego CO 2 firmy TRUMPF TLF 2600 Turbo o mocy znamionowej 2600 W. Stosowano zmienn moc lasera P: 0,39, 0,52, 0,65 kw, której odpowiada g sto mocy q (12,42; 16,56; 20,70 kw/cm 2 ), oraz zmienn pr dko posuwu wi zki v l = 2,016 m/min oraz v l = 4,48 m/min przy sta ej rednicy wi zki 2 mm. Parametry te dobrano na podstawie wcze niejszych bada [10]. U ycie wi kszej mocy lasera od przyj tej w niniejszych badaniach powoduje wzrost przetopienia i zwi kszenie chropowato ci powierzchni. Próbki nagrzewano po linii rubowej, przy czym odst p cie ek f = = d ( cie ki przylegaj ce do siebie). Do bada zu ycia przez tarcie wykonano próbki obrabiane laserowo moc P = 0,65 kw (q = 20,70 kw/cm 2 ) z pr dko ci posuwu wi zki v l = 2,016 i 4,48 m/min. Parametry te pozwalaj uzyska najkorzystniejsze w a ciwo ci cie ki laserowej (ma chropowato i porowato, du twardo ). Mikrostruktur po laserowej obróbce cieplnej analizowano z u yciem mikroskopu optycznego Carl Zeiss Jena. Badania mikrostruktury wykonano na zg adach metalograficznych polerowanych i trawionych 2-procentowym nitalem. Mikrotwardo HV0,1 otrzymanych próbek mierzono mikrotwardo ciomierzem typu Zwick 3212B, na którym równie zmierzono wymiary cie ek laserowych. Badania odporno ci na zu ycie przez tarcie wykonano na maszynie tarciowej typu AMSLER w uk adzie: próbka obracaj cy si pier cie /p ytka przeciwpróbka z w glika spiekanego o twardo ci 1430 HV (rys. 1). Badania prowadzono w warunkach tarcia suchego przy sta ym obci eniu F = 147 N i pr dko ci próbki v = 0,26 m/s (n = 250 obr/min). Odporno na zu ycie okre- lano na podstawie ubytku masy próbki, odniesionej do powierzchni tarcia (zu ycie wagowe) oraz powierzchni i czasu, przyjmuj c za wska nik intensywno ci zu ycia Iz = m /(F ) [mg/(cm 2 h)]. Z wynikami bada próbek po azotowaniu i laserowym stopowaniu borem porównano wyniki stali ulepszonej cieplnie i azotowanej w temperaturze 550 o C przez 22,5 h oraz borowanej przez 4 h w temperaturze 950 o C i ulepszonej cieplnie. Rys. 1. Schemat badania zu ycia przez tarcie Fig.1. The scheme of frictional wear test

4 86 A. Bartkowska, A. Pertek, K. Wi niewski 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE 3.1. Badania struktury Analizie struktury poddano azotowane próbki ze stali 42CrMo4 o strukturze po uprzednim ulepszaniu cieplnym, a nast pnie stopowane laserowo borem. Badania prowadzono ze sta moc lasera P ( ci lej, g sto ci mocy wi zki q) oraz zmienn pr dko ci skanowania wi zki laserowej v l. Obróbka laserowa po linii rubowej doprowadzi a do uzyskania zró nicowanych wyników pod wzgl dem jako ci (chropowato ci, nadtopie, porowato ci) i wymiarów otrzymanych cie- ek. Wykonano badania makroskopowe i mikroskopowe uzyskanych cie ek po linii rubowej. Z bada tych wynika, e cie ki sk adaj si z trzech stref: 1) przetopionej (SP), 2) wp ywu ciep a (SWC) oraz 3) rdzenia. Na rysunku 2 przedstawiono mikrostruktur badanych cie ek uzyskanych przy sta ej g sto ci mocy lasera q i zmiennej pr dko ci skanowania wi zki laserowej v l. Wraz ze wzrostem v l malej wymiary stref 1 i 2. W strefie przetopionej, jak wykaza y badania, wyst puje eutektyka zawieraj ca borki i azotki elaza oraz martenzyt o du ym rozdrobnieniu, w strefie wp ywu ciep a znajduje si martenzyt, a w rdzeniu struktura sorbityczna [10]. W strefie przetopionej wyst puje porowato spowodowana prawdopodobnie tym, e w czasie obróbki laserowej pod wp ywem wysokiej temperatury nast puje przetopienie pasty zawieraj cej bor z warstw wierzchni azotowanej stali i tworzy si jeziorko cieczy, w której rozpuszcza si bor i azot, b d cy produktem dysocjacji azotków. Powsta y azot ulega rekombinacji w N 2. Jako gaz w czasie szybkiego krzepni cia podczas ch odzenia nie zd y przedosta si do otoczenia i pozostaje zamkni ty w postaci p cherzy. Odpowiednio dobrane warunki procesu (wi ksza pr dko posuwu wi zki) pozwalaj na zmniejszenie porowato ci, ale nie eliminuj jej ca kowicie (rys. 2b). a) b) Rys. 2. Mikrostruktura azotowanej stali 42CrMo4 po stopowaniu laserowym borem; laserowa obróbka cieplna: a) P = 0,65 kw, v l = 2,016 m/min; b) P = 0,65 kw, v l = 4,48 m/min Fig. 2. Microstructure of nitrided 42CrMo4 steel after laser alloying with boron; LHT: a) P = 0.65 kw, v l = m/min; b) P = 0.65 kw, v l = 4.48 m/min

5 Struktura i w a ciwo ci konstrukcyjnej stali 42CrMo4 87 Na rysunku 3 przedstawiono wp yw g sto ci mocy wi zki lasera q na wymiary cie ek (g boko i szeroko ) zarówno strefy przetopionej, jak i strefy wp ywu ciep a, gdy pr dko posuwu wi zki v l = const. Mo na zauwa y, e ze wzrostem warto ci q przy sta ej pr dko ci v l zwi kszaj si : ca kowita szeroko a 1 i g boko h cie ek: a 1, h = f (q) (rys. 3a) oraz szeroko a 2 i g boko b strefy przetopionej (rys. 3b). Przedstawione na rys. 3 zmiany wymiarów cie ek pod wp ywem przyj tych parametrów pracy lasera nie s znacz ce i wynosz odpowiednio: ca kowita szeroko cie ki a 1 = 1,03 1,08 mm, g boko h = 0,26 0,33 mm, a w strefie przetopionej: szeroko a 2 = 0,9 1 mm, g boko b = 0,055 0,1 mm. a) a 1, h [ mm ] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 a1 h q [ kw/cm 2 ] b) a 2,b [ mm ] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 a2 b q [ kw/cm 2 ] Rys. 3. Wp yw g sto ci mocy na szeroko i g boko cie ek, a 1, a 2, h, b = f (q), v l = const = = 2,016 m/min Fig. 3. Influence of power density on width and depth of tracks a 1, a 2, h, b = f (q), v l = const = = m/min 3.2. Mikrotwardo azotowanej stali 42CrMo4 stopowanej borem Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono profile mikrotwardo ci w osi cie ki i na granicach cie ek otrzymane dla ró nych pr dko ci posuwu wi zki lasera i przy sta ej mocy. Na wykresach uwzgl dniono równie profile mikrotwardo ci dla stali azotowanej i borowanej. Warstwa borowana ma du twardo w strefie borków elaza, wynosz c oko o 1900 HV, która szybko si zmniejsza do mikrotwardo ci rdzenia. Twardo warstwy azotowanej przy powierzchni wynosi oko o 550 HV, po czym agodnie maleje do twardo ci w rdzeniu wynosz cej oko o 400 HV. Korzystny profil mikrotwardo ci stali azotowanej i stopowanej borem przedstawiaj rys. 4 i 5. W strefie przetopienia otrzymano twardo oko o HV, tak e w strefie wp ywu ciep a twardo by a du a oko o 1100 HV lub HV. Mniejsze warto ci twardo ci w strefie przetopionej i w strefie wp ywu ciep a wyst puj po skanowaniu z mniejsz pr dko ci (rys. 4). Strefa

6 88 A. Bartkowska, A. Pertek, K. Wi niewski o podwy szonej twardo ci po azotowaniu i stopowaniu borem si ga znacznie g biej (0,2 0,3 mm) ni w warstwie borowanej (do 0,1 mm). Warstwy otrzymane w linii rubowej charakteryzuj si niekiedy mniejsz mikrotwardo ci na styku cie ek. Mniejsza twardo jest spowodowana cz ciowym odpuszczaniem uprzednio przetopionych i zahartowanych cie ek, jak równie brakiem przetopienia w obszarze styku cie ek (rys. 2b, 5). Jak wynika z rys. 4 i 5, warstwy otrzymane w wyniku po czonej obróbki cieplno-chemicznej i laserowej maj korzystny stopniowy spadek twardo ci od powierzchni do rdzenia Mikrotwardo HV 0, w osi cie ki granica cie ek granica cie ek azotowana alfa borowana ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Odleg o od powierzchni [mm] Rys. 4. Profile mikrotwardo ci stali 42CrMo4 azotowanej i stopowanej borem po linii rubowej; laserowa obróbka cieplna: P = 0,65 kw, v l = 2,016 m/min Fig. 4. Microhardness profiles of nitrided 42CrMo4 steel after laser alloying with boron, LHT: P = = 0.65 kw, v l = m/min, helical line tracks Zbadano równie zale no redniej twardo ci od g sto ci q i pr dko ci posuwu wi zki v l w strefie przetopienia HV r SP = f (q), v l = const i w strefie wp ywu ciep a HV r SWC = f (q), v l = const. Za redni przyj to redni arytmetyczn z 3 7 pomiarów twardo ci w zale no ci od wymiarów SP i SWC. Stwierdzono, e ze wzrostem g sto ci mocy maleje nieznacznie twardo w strefie przetopienia, natomiast twardo w strefie wp ywu ciep a pozostaje sta a. Wi ksza g sto mocy q wp ywa te na jako cie ek. Wraz ze wzrostem q zwi ksza si porowato struktury w obszarze strefy przetopienia, a powierzchnia jest bardziej chropowata.

7 Struktura i w a ciwo ci konstrukcyjnej stali 42CrMo Mikrotwardo HV 0, w osi cie ki granica cie ek granica cie ek azotowana alfa borowana ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Odleg o od powierzchni [mm] Rys. 5. Profile mikrotwardo ci stali 42CrMo4 azotowanej i stopowanej borem w linii rubowej, laserowa obróbka cieplna: P = 0,65 kw, v l = 4,48 m/min Fig. 5. Microhardness profiles of nitrided 42CrMo4 steel after laser alloying with boron, LHT: P = 0.65 kw, v l = 4.48 m/min, helical line tracks 3.3. Odporno na zu ycie przez tarcie Zbadano odporno na zu ycie przez tarcie stali 42CrMo4 azotowanej o strukturze, a nast pnie stopowanej borem (rys. 6). 20 Zu ycie [mg/cm 2 ] Zu ycie wagowe [mg/cm 2 ] CrMo4 H: 850 o C/1h O: 570 o C/1h A: 550 o C/22,5h B: stopowanie borem v = 2,016 m/min; P = 0,65 kw v = 4,48 m/min; P = 0,65 kw Iz= 1,5252 Iz = 2,243 Iz= 1,8573 Iz = 1,8155 Iz = 1, Iz = 0,8444 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Czas tarcia [h] Rys. 6. Zu ycie stali 42CrMo4 azotowanej i stopowanej borem Fig. 6. Weight wear of nitrided 42CrMo4 steel after laser alloying with boron

8 90 A. Bartkowska, A. Pertek, K. Wi niewski Laserow obróbk ciepln wykonano ze sta moc P = 0,65 kw i zmienn pr dko ci skanowania: v l = 2,016 m/min oraz 4,48 m/min, najkorzystniejsz z punktu widzenia jako ci cie ek. Zu ycie warstw poddanych laserowej obróbce cieplnej ma charakter liniowy. Widoczne s trzy k ty nachylenia linii prostej. Pierwszy zakres k ta nachylenia jest zwi zany z obszarem przypowierzchniowym, w drugim wyst puje cieranie przy pieszone ze wzgl du na porowato struktury, a w trzecim w g bszej strefie próbki, w której chropowato si zmniejszy a wska nik zu ycia Iz jest najmniejszy. Jak wynika z rys. 6, mniejsze zu ycie (mniejsze wska niki Iz) wykazuje warstwa uzyskana z wi ksz pr dko ci posuwu wi zki lasera v l = 4,48 m/mm, maj ca mniejsze wymiary cie ek laserowych, a wi c wi ksze wype nienie cie kami badanej powierzchni. Jednocze nie warstwa ta charakteryzuje si mniej porowat struktur, uzyskan z pr dko ci skanowania 2,016 m/min (rys. 6). 4. PODSUMOWANIE Proces laserowego stopowania borem azotowanej stali 42CrMo4 pozwala na wytwarzanie warstw wierzchnich, zawieraj cych bor i azot, o korzystnej strukturze i w a ciwo ciach. Mikrotwardo strefy przetopionej osi ga warto HV, odpowiadaj c twardo ci borków elaza. Pod ni wyst puje strefa wp ywu ciep a o mikrotwardo ci do oko o HV. Uzyskana twardo jest wyra nie wi ksza ni warstwy azotowanej (550 HV), a kombinacja pierwiastków azotu i boru zmniejsza gradient twardo ci mi dzy warstw przypowierzchniow a rdzeniem stali. W a ciwo ci warstw zale od parametrów obróbki laserowej. Gdy pr dko skanowania wi zki laserowej jest wi ksza, a moc lasera jest sta a, maleje nieznacznie twardo warstwy wierzchniej, zmniejszaj si wymiary cie ek laserowych oraz maleje porowato struktury. Warstwa wierzchnia wytworzona w tych warunkach charakteryzuje si znaczn odporno ci na zu ycie przez tarcie, co potwierdzi y badania tribologiczne. LITERATURA [1] Balandin Yu. A., Boronitriding of die steels in fluidized bed, Metal Science and Heat Treatment, 2004, vol. 46, s [2] Burakowski T., Wierzcho T., In ynieria powierzchni metali, Warszawa, WNT [3] Kusi ski J., Lasery i ich zastosowanie w in ynierii materia owej, Kraków, Wydawnictwo Akapit [4] Ma dzi ski L., Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowej na elazie i stalach w procesach azotowania gazowego, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Pozna skiej 2002.

9 Struktura i w a ciwo ci konstrukcyjnej stali 42CrMo4 91 [5] Ma dzi ski L., Nowe rozwi zanie procesu gazowego azotowania stali z ograniczeniem zu ycia amoniaku, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2005, vol. 25, nr 1, s [6] Maragoudakis N. E., Stergioudis G., Omar H., Pavlidou E., Tsipas D. N., Boro-nitriding of steel US 37-1, Materials Letters, 2002, 57, s [7] Paczkowska M., Waligóra W., Struktura stref warstwy powierzchniowej eliwa sferoidalnego EN-GJS-500 po borowaniu laserowym, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2006, vol. 26, nr 1, s [8] Pertek A., Kszta towanie struktury i w a ciwo ci warstw borków elaza otrzymywanych w procesie borowania gazowego, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Pozna skiej [9] Wi niewski K., Pertek A., Boroazotowanie stali 42CrMo4, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2008, vol. 28, nr 1, s [10] Wi niewski K., Bartkowska A., Pertek A., Laserowe stopowanie borem azotowanej stali 42CrMo4, Zeszyty Naukowe Politechniki Pozna skiej, Budowa Maszyn i Zarz dzanie Produkcj, 2008, nr 9, s PODZI KOWANIA Autorzy pragn serdecznie podzi kowa Panom dr. in. M. Jankowiakowi i I. Nowakowi za pomoc w wykonaniu laserowej obróbki cieplnej. Praca wp yn a do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. W odzimierz Waligóra STRUCTURE AND PROPERTIES OF 42CrMo4 CONSTRUCTIONAL STEEL AFTER REGULATED NITRIDING AND LASER ALLOYING WITH BORON S u m m a r y The paper presents structure, microhardness and wear resistance of nitrided 42CrMo4 steel after laser alloying with boron. Tests were carried out with helical line tracks. In the microstructure after laser heat treatment three zones have been observed: melted zone, heat affected zone and core. Research proved gradual decresing of microhardness from surface to core. The wear resistance of laser surface modification layer dependent on laser treatment parameters. Key words: nitriding, boriding, laser alloying, structure, microhardness, wear resistance