NAPRĘŻENIA WŁASNE W HARTOWANYCH LASEROWO STALACH SK5MC, SW7M, 45

Transkrypt

1 3/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN NAPRĘŻENIA WŁASNE W HARTOWANYCH LASEROWO STALACH SK5MC, SW7M, 45 A. BYLICA 1, S. ADAMIAK 2, W. BOCHNOWSKI 3, A. DZIEDZIC 4 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski Rzeszów, ul. Rejtana 16a STRESZCZENIE Badano rozkład naprężeń własnych w warstwie przetopionej laserem stali SK5MC, SW7M, 45 - metodą Weissmana Philipsa. Badano również wpływ odpus z- czania po hartowaniu laserowym oraz wpływ wielkości przekroju próbek hartowanych laserowo na rozkład i wielkość naprężeń własnych. Badania naprężeń własnych w warstwie przetopionej laserem stali ujawniły występowanie naprężeń ściskających. Ich wartość malała wraz ze wzrostem odległości od powierzchni przetopu. Naprężenia własne zwiększają się bardzo wyraźnie ze wzrostem przekroju próbki poddanej laserowemu hartowaniu. Odpuszczanie wpływa w nieznacznym stopniu na wartość naprężeń w warstwie wierzchniej - zmniejsza je o ok. 30 MPa do 50 MPa, w zależności od temperatury odpuszczania. Keywords: residual stresses, laser hardenind 1. WSTĘP Zagadnienie pomiaru naprężeń własnych od dawna już interesowało konstrukt o- rów i technologów. Pierwsze prace z dziedziny badań stanu tych naprężeń opublikowano już w 1887 r. W wielu procesach technologicznych: obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej, obróbce skrawaniem, odlewaniu, obróbce plastycznej, spawaniu i zgrzewaniu, wytwarza- 1 prof. zw. dr hab. inż., bylica@univ.rzeszow.pl 2 dr, sadamiak@univ.rzeszow.pl 3 dr, wobochno@univ.rzeszow.pl 4 dr, dziedzic@univ.rzeszow.pl 33

2 niu pokryć dyfuzyjnych i cienkich warstw, montażu lub eksploatacji maszyn i urządzeń technicznych powstają różne stany naprężeń, w istotny sposób zmieniające wytężenie materiału. Mogą to być zmiany korzystnie lub niekorzystnie wpływające na zmęczenie, pękanie i zużycie materiałów oraz trwałość urządzeń. Zmiana tych stanów naprężeń wymaga nie tylko znajomości sposobów wpływania na wielkość i rodzaj naprężeń, lecz przede wszystkim dysponowania odpowiednimi metodami ich pomiaru. Prowadzone badania nad zastosowaniem laserów w obróbce stali ukierunkowane są głównie na określenie wpływu parametrów obróbki na strukturę i własności warstwy wierzchniej. Szybka krystalizacja obszaru przetopionego laserem prowadzi do powstania stanu naprężeń ściśle uzależnionego od składu chemicznego stali, jej wstępnej o b- róbki cieplnej, parametrów obróbki laserowej i geometrii ścieżek umacniających p o- wierzchnię. Celem pracy było określenie wpływu przetopienia laserem CO 2 oraz: - odpuszczania stali SK5MC i SW7M, - wielkości obrobionej próbki stali 45, na naprężenia własne w warstwie wierzchniej badanych stali. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Laserowe hartowanie przeprowadzono w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. Próbki do badań przetopiono na powierzchni wiązką las e- ra CO 2 o jednomodowym rozkładzie energii w wiązce. Zastosowano następujące parametry obróbki: moc lasera 1,2 kw, szybkość skanowania 1,2 m/min, średnica plamki na powierzchni obrobionej 3 mm. w celu zwiększenia absorpcji stale pokryto warstwą roztworu koloidalnego grafitu. Materiał do badań stanowiły wyżarzone zmiękczająco próbki następujących stali: - stali szybkotnącej SK5MC o wymiarach 4x4x135 mm, - stali szybkotnącej SW7M o wymiarach 4x4x145mm, - stali 45 o wymiarach 4x4x150 mm, 6x6x150 mm, 8x8x150mm. Po obróbce laserowej stale szybkotnące odpuszczano w temperaturze 560ºC (2x2 godz.) i 590ºC (2x2 godz.). Badania metalograficzne mikrostruktury przeprowadzono na zgładach prostopadłych do powierzchni naświetlanej wiązką laserową. Strukturę obserwowano na skaningowym mikroskopie elektronowym Tesla BS-340. Wyniki obserwacji przedstawiono na rys.1 i 2. 34

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Mikrostruktura strefy przetopionej w stali SK5MC Microstructure of remelted zone of the HS steel Mikrostruktura strefy przetopionej w stali SW7M Microstructure of remelted zone of the HS steel Mkrostruktura strefy przetopionej w stali SK5MC Microstructure of remelted zone of the HS steel Strefa przetopiona SW7M po odpuszczaniu w 560 o C Remelted zone after tempering of the HS steel Mikrostruktura strefy dna przetopienia w stali SK5MC Microstructure of down remelted zone of the HS steel Strefa przetopiona SW7M po odpuszczaniu w 590 o C Remelted zone after tempering in 590 o C of the HS steel Rys.1. Mikrostruktury stali SK5MC i SW7M po przetopieniu laserowym i odpuszczaniu Fig.1. Microstructure after laser remelted and tempering of the HS , HS steels 35

4 Mikrostruktura strefy przetopionej przy powierzchni Microstructure remelted zone near surface Mikrostruktura strefy przetopionej Microstructure remelted zone Strefa wpływu ciepła pod warstwą przetopioną Heat affected zone under layer remelted Mikrostruktura strefy wpływu ciepła Microstructure heat affect zone Mikrostruktura strefy wpływu ciepła Microstructure heat affect zone Rys.2. Mikrostruktury stali 45 po przetopieniu laserowym Fig.2. Microstructure after laser remelted of the C 45 steel 36 Mikrostruktura granicy strefy wpływu ciepła Microstructure bonduary heat affect zone

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Pomiary naprężeń własnych oparto na metodzie Weissmana-Phillipsa. W metodzie tej naprężenie własne w warstwie wierzchniej wyznacza się z równań równowagi zewnętrznej i warunków na powierzchni ciała stałego, przez pomiar wartości odkszta ł- ceń. Mierzony stan odkształcenia wiąże się z obliczanym stanem naprężenia w warstwie wierzchniej poprzez stałe materiałowe. Metoda wyznaczania wartości i gra-dientu naprężeń własnych pierwszego rodzaju w warstwie wierzchniej jest opracowana przy założeniu, że naprężenia są stałe w płaszczyznach równoległych do powierzchni i zmieniają swoje wartości z głębokością w ściśle określony sposób. Metoda usuwania warstwy naprężonego materiału przez trawienie jest oparta na modelu mechanicznym. Usuwanie warstwy metalu naprężonego z powierzchni jednej strony płytki wywołuje zachwianie równowagi stanu naprężenia i zmianę wartości krzywizny, aż do ponownego wytworzenia stanu równowagi. Przy usuwaniu warstw metalu z tej samej p o- wierzchni w sposób ciągły i rejestrowaniu zmiany krzywizny w zależności od ilości strawionego materiału oblicza się naprężenie w każdej usuniętej warstwie. Proces usuwania kolejnych warstw powierzchni naświetlonej odbywa się na drodze trawienia. W celu zabezpieczenia przed szkodliwym działaniem kwaśnego środowiska, próbki pokryto lakierem asfaltowym, pozostawiając odsłoniętą powierzchnię p rzetopioną wiązką laserową. Badane próbki umocowano w uchwycie (rys.3). Na drugim końcu próbki umieszczono czujnik indukcyjny umożliwiający pomiar odkształcenia próbki w m. Następnie próbki umieszczono w roztworze kwasów (25%HCl, 25%HNO 3, 50%H 2 O) i trawiono przez ok. 3 godziny. 4 2 Cyfrowy wskaźnik wydłużenia Interfejs 5 Komputer 1 3 Rys. 3. Schemat stanowiska do pomiarów naprężeń własnych: 1 - próbka, 2 - głowica indukcyjna, 3 - roztwór trawiący, 4 - statyw, 5- wanienka Fig. 3. Scheme arrangement where used measurements residual stresses: 1-probe, 2 - induction head, 3 - digest solution, 4 - suport, 5 - bathing 37

6 W trakcie badań, co 1 sekundę mierzono wartość strzałki ugięcia f w m. Przed rozpoczęciem badań i po ich zakończeniu, próbki ważono na wadze laboratoryjnej z dokładnością 10-3 g. Podczas trawienia kolejnych warstw materiału uwalniane są naprężenia powodując odkształcanie się materiału. W oparciu o zmianę masy i objętości w wyniku trawienia próbek wyznaczono grubość warstwy usuniętej wskutek trawienia h s (rys.4). h=a h s a-h s a b Rys. 4. Schemat próbki obrazujący grubość warstwy usuniętej wskutek trawienia Fig. 4. Showe probe with layer thicknes digesting M ubytku M ubytku g (1) V hs a b 3 mm M h ubytku s mm, przyjęto 8, 10 g (2) a b 3 cm gdzie: M ubytku ubytek masy w poszczególnych próbkach, h s maksymalna głębokość do jakiej mierzono naprężenia. W pracy przyjęto założenie, że zmiana wysokości próbki w funkcji czasu trawienia ma charakter liniowy (rys.5). Pozwoliło to na określenie wysokości próbki h n w każdym czasie pomiaru. Korzystając z poniższych zależności obliczono wartość h n. Przyjęto również drugie założenie, że próbka wygina się wzdłuż łuku koła, co pozwoliło na wyznaczenie krzywizny badanej próbki w oparciu o mierzoną strzałkę ugięcia f. Krzywiznę obliczono z zależności: 8 f c (3) 2 2 l 4 f gdzie: c krzywizna próbki, f mierzona strzałka ugięcia, l długość próbki pomiędzy punktem mocowania a punktem pomiaru strzałki ugięcia. Korzystając ze wzoru na krzywiznę (3) i zależności At B wyznaczono zmianę krzywizny próbki (c) w funkcji jej grubości (h n ): h n 38

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA c f ( h n ) h n [mm] 4 4-h s Rys.5. Zależność wysokości próbki od upływu czasu Fig. 5. Change thicknes in the time dc W celu wyznaczenia różniczki powyższej funkcji wyznaczone punkty aproks y- dh n mowano wielomianem czwartego stopnia, z którego następnie liczono pochodną. Naprężenia własne (zakładając jednoosiowy stan naprężeń) wyznaczono ze wzorów W e- issmana-philipsa: w (4) gdzie: σ 1 średnia wartość naprężenia w pierwszej usuwanej warstwie, σ 2 naprężenie w n-tej warstwie wywołane zabiegiem usuwania poprzednich warstw, σ 3 naprężenie w n-tej warstwie wywołane działaniem momentu rekompens ującego wszystkie reakcje poprzednich zabiegów usuwania materiału. 1 dc Eh 2 1 (5) 2 n dh n n 1 xh 2 (6) h 0 n1 1 3 Ehn 1( c0 cn 1) (7) 2 gdzie: E moduł Younga, dc - różniczka funkcji krzywizny (c) względem grubości dh n próbki h, Δh grubość usuwanej warstwy materiału, 1 dc x Eh 2, h początkowa grubość próbki, c krzywizna próbki, 1 c, 2 dh r n 0 t 1 t 2 t czas [s] c 0 krzywizna próbki nie wytrawionej, r promień ugięcia belki, c n-1 krzywizna próbki po wytrawieniu n-1 warstw materiału. 39

8 Naprężenia własne, MPa 3. WYNIKI BADAŃ W wyniku obróbki stali laserem CO 2 uzyskano obszar zmian strukturalnych, w którym wyróżniono: strefę przetopienia o strukturze komórkowo-dendrytycznej oraz strefę wpływu ciepła. Strefę przetopienia stali szybkotnącej SK5MC i SW7M stanowią komórki dendrytyczne i kryształy kolumnowe we wnętrzu których zaobserwować można martenzyt płytkowy i austenit szczątkowy. Na granicach komórek i dendrytów występuje eutektyka. Bezp o- średnio pod strefą przetopienia występuje strefa wpływu ciepła, której strukturę stanowią martenzyt i austenit szczątkowy oraz węgliki z lokalnymi nadtopieniami. W przypadku hartowania laserowego szybkie nagrzewanie kolejnych stref warstwy wierzchniej wywołuje powstawanie zmiennego pola naprężeń cieplnych. Skurcz stygnącej warstwy powoduje sprężyste wygięcie obrabianej próbki. Przemiany podczas odpuszczania stali szybkotnących w temperaturach niższych od o C przebiegają podobnie jak w stalach węglowych. Obecność pierwiastków stopowych powoduje jednak zmiany zakresów temperatur wydzielania się węglików i przemiany austenitu szczątkowego oraz znaczne zmniejszenie szybkości przemian. Odpuszczanie stali zawierających pierwiastki o większym powinowactwie do węgla od żelaza, w temperaturach wyższych od o C, powoduje wydzielanie się węglików stopowych. W stalach szybkotnących zarodkowanie węglików stopowych zachodzi niezależnie od występujących cząstek cementytu. Węgliki tych pierwiastków zarodkują głównie na dyslokacjach, a ponieważ są bardzo drobne, więc wydzielaniu towarzyszy polepszenie własności wytrzymałościowych stali. W wyniku poddania próbki hartowanej laserowo procesowi konwencjonalnego odpuszczania w temperaturze 560 o C (2x2 godziny) otrzymano w strukturze komórkowo dendrytycznej, wewnątrz komórek, martenzyt płytkowy odpuszczony z wydzieleniami węglików. Na granicach komórek występuje eutektyka z węglikami. Naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali SK5MC przedstawiano na rys Hartowana laserem CO 2 Hartowana laserem CO 2 i odpuszczana 2*560 o C Hartowana laserem CO 2 i odpuszczana 2*590 o C ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Odległość od powierzchni przetopionej laserem, mm Rys. 6. Naprężenia własne w stali szybkotnącej SK5MC Fig. 6. Residua stresses in HS high speed steel

9 Naprężenia własne, MPa Naprężenia własne, MPa ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na rys.7 przedstawiono naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali SW7M Hartowana laserem CO 2 Hartowana laserem CO 2 i odpuszczana 2*560 o C Hartowana laserem CO 2 i odpuszczana 2*590 o C ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Odległość od powierzchni przetopionej laserem, mm Rys.7. Naprężenia własne w próbkach stali szybkotnącej SW7M Fig. 7. Residua stresses in HS high speed steel W wyniku obróbki laserowej warstwy wierzchniej stali 45 uzyskano w strefie przetopionej jednorodną strukturę składającą się z martenzytu płytkowego i austenitu szczątkowego. W warstwie położonej bezpośrednio pod dnem przetopienia otrzymano martenzyt płytkowy i austenit szczątkowy. W głębszych warstwach przemiana marte n- zytyczna zachodziła tylko w ziarnach perlitu, w wyniku czego otrzymano strukturę martenzytyczno ferrytyczną. Na rys. 8 przedstawiono naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali Próbka o wymiarach 4x4 mm Próbka o wymiarach 6x6 mm Próbka o wymiarach 8x8 mm ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Odległość od powierzchni przetopionej laserem, mm Rys. 8 Naprężenia własne w próbkach stali 45 Fig. 8. Residua stresses in C45 carbon steel 41

10 Cechą charakterystyczną martenzytu powstałego w strefie materiału nieprzetopionego jest duża dyspersja struktury, większa niż w strefie materiału przetopionego. Uzyskanie po laserowym hartowaniu o kilka rzędów większej szybkości chłodzenia niż po hartowaniu konwencjonalnym możliwe jest dzięki samoschłodzeniu (odprowadzenie ciepła z wierzchniej warstwy w głąb próbki w wyniku przewodnictwa cieplnego). Ponieważ szybkość odprowadzenia ciepła z warstwy wierzchniej podczas laserowego hartowania zależy od masy próbki poddanej laserowej obróbce, tym s amym różne były warunki tworzenia się struktury martenzytycznej i związanych z tą przemianą naprężeń własnych. 4. PODSUMOWANIE Wyznaczone naprężenia własne próbek stali SK5MC były naprężeniami ściskającymi. Maksymalne naprężenia własne w próbce poddanej przetopieniu laserowemu występowały tuż przy powierzchni przetopionej i wynosiły odpowiednio ok MPa, po dwukrotnym odpuszczaniu w temperaturze 560 o C maksymalne naprężenie wynosiło ok MPa, a po odpuszczaniu w temperaturze 590 o C ok MPa. W miarę wzrostu odległości od powierzchni przetopienia, wartość naprężeń malała i w pobliżu dna przetopu wynosiła ok. -60 MPa dla próbek hartowanych laserowo i ok. -20 MPa dla próbek hartowanych laserowo i odpuszczonych w temperaturze 560 o C i w 590 o C. Badania naprężeń własnych w stali szybkotnącej SW7M przetopionej laserem ujawniły występowanie naprężeń ściskających. Ich wartość zmniejszała się wraz ze wzrostem odległości od powierzchni przetopu i zawierała się w przedziale: -170 do -85 MPa. Po poddaniu próbek odpuszczaniu w temperaturze 560 C naprężenia zmniejszyły się nieznacznie i zawierały w przedziale: -150 do -45 MPa, a po odpuszczaniu w temperaturze 590 C w przedziale: -140 do -25 MPa. Zmiana temperatury odpuszczania z 560 C na 590 C zmniejsza w niewielkim stopniu naprężenia w warstwie wierzchniej próbki (o ok. 25 MPa). Tak więc odpuszczanie hartowanych laserowo stali szybkotnących wpływa w nieznacznym stopniu na wartość naprężeń w warstwie wierzchniej - zmniejsza je o ok MPa, w zależności od temperatury odpuszczania. Badania naprężeń własnych w warstwie przetopionej laserem stali 45 w próbce o wymiarach 4x4x150mm wykazały że, największe naprężenia własne ściskające występowały w warstwie powierzchniowej przetopu i wynosiły ok MPa. W pobliżu dna przetopu wartość naprężeń zmniejszyła się do ok. -60 MPa. Naprężenia własne występujące w warstwie wierzchniej w próbce 6x6x150mm po przetopieniu laserem wynosiły przy powierzchni ok.-570 MPa. W pobliżu dna przetopu wartość naprężenia wyniosła ok MPa. W próbce 8x8x150mm po przetopieniu, w warstwie powierzchniowej występowały naprężenia własne ściskające o wartości MPa. W miarę wzrostu odległości od powierzchni przetopienia zmieniały się naprężenia na rozciągające. W odległości ok.1,5 mm od powierzchni naświetlonej wynosiły około +500 MPa. Ze wzrostem masy próbki wzrastają naprężenia własne w warstwie wierzchniej, nat o- miast ze wzrostem odległości od naświetlonej powierzchni ulegają zmniejszeniu. 42

11 ARCHIWUM ODLEWNICTWA LITERATURA [1] Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT, Warszawa [2] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa [3] Bylica A., Dziedzic A., Bochnowski W.: Naprężenia własne i odporność tribologiczna stali narzędziowych hartowanych laserowo. Materiały konferencyjne 7 Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin - Świnoujście [4] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa [5] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych. WNT, Warszawa [6] Kocańda S., i in.: Naprężenia własne w laserowo wzmocnionych elementach ze stali 15. Biuletyn WAT, Warszawa [7] Kocańda S., Natkaniec D.: Opis analityczny naprężeń własnych w elementach stalowych wywołanych hartowaniem. Archiwum Nauki o Materiałach. t. 12 z.3. Warszawa [8] Leda H.: Strukturalne aspekty własności mechanicznych wybranych materiałów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [9] Orłoś Z.: Naprężenia cieplne. PWN, Warszawa [10] Orłoś Z.: Doświadczalna analiza odkształceń i naprężeń. PWN, Warszawa [11] Senczyk D.: Naprężenia własne: wstęp do generowania, sterowania i wykorzyst a- nia. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [12] Senczyk D.: Rentgenowskie metody i techniki badania struktury w materiałach. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [13] Wysiecki M.: Nowoczesne materiały narzędziowe. WNT, Warszawa [14] Zimny J.: Laserowa obróbka stali. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa

12 RESIDUAL STRESSES IN STEELS HS , HS 6-5-2, C45 AFTER LASER HARDENING SUMARY This paper presents results of examined residual stress in high speed steels: HS , HS and carbon steel C45 were used Weissman Philips method. Temperature tempering and dimension cross-section of materials after laser hardened influence to distribution and value residual stresses examined too. In laser hardened lager measurement press residual stresses. Value stresses decrease with disbince from the surface treated. It shows that, as growth area cross-section very increase value residual stresses. Tempering steels after laser treated led to residual stresses, in crease value about 30 to 50 MPa, related to temperature tempering. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 44