MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI STALI NARZĘDZIOWYCH NADTAPIANYCH LASEREM CO 2

Transkrypt

1 5/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI STALI NARZĘDZIOWYCH NADTAPIANYCH LASEREM CO 2 A. BYLICA 1, A. DZIEDZIC 2, W. BOCHNOWSKI 3, S. ADAMIAK 4 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski Rzeszów, al. Rejtana 16 A STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury SEM, mikrotwardości, odporności na zużycie tribologiczne stali narzędziowych nadtapianych wiązką lasera. Badano stale narzędziowe - do pracy na zimno: X45NiCrMo4, X100CrMoV5-1, 100MnCrW4 i X155CrVMo12-1, na gorąco X38CrMoV5-1 oraz stal szybkotnącą HS Po laserowej obróbce przeprowadzono konwencjonalne odpuszczanie. Pokazano, że korzystne jest przeprowadzenie procesu odpuszczania dla stali X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1, X38CrMoV5-1 oraz HS Zachowanie stosunkowo wysokiej twardości narzędziowych stali stopowych po wysokim odpuszczaniu jest wynikiem wystąpienia efektu twardości wtórnej - wydzielania węglików stopowych koherentnych z osnową martenzytu i przemianą austenitu szczątkowego. Keywords: tool steels, laser remelted, abrasion resistance. 1. WSTĘP Laserowa obróbka warstw wierzchnich, stosowana jest w przemyśle (prawie od 20 lat) [1-3] w celu umocnienia elementów par trących maszyn i urządzeń, przylgni i grzybków zaworów w silnikach spalinowych - rzadziej w przypadku uszlachetniania narzędzi. Spośród głównych grup stali stosowanych na narzędzia (do pracy na zimno, 1 prof. zw. dr hab. inż., bylica@univ.rzeszow.pl 2 dr, dziedzic@univ.rzeszow.pl 3 dr, wobochno@univ.rzeszow.pl 4 dr, sadamiak@univ.rzeszow.pl

2 46 do pracy na gorąco, szybkotnących), nadtapianie stali szybkotnących szczególnie HS jest procesem najczęściej opisywanym w literaturze krajowej i zagranicznej. Niewielka objętość nadtopionego materiału na zimnym podłożu sprzyja szybkiej krystalizacji, efektem, której jest struktura o znacznym rozdrobnieniu [4-6], silnie przesycona z fazami o rozszerzonej rozpuszczalności, a także nowo wytworzonymi fazami metastabilnymi [7]. W konsekwencji następuje poprawa właściwości mechanicznych i technologicznych stopu. Poprzez właściwe zaprojektowanie procesu obróbki można wytworzyć w warstwie nadtopionej korzystny stan naprężeń prowadzący do wzrostu właściwości użytkowych wyrobu. Od większości narzędzi wykonanych ze stali wymaga się wysokiej twardości przy zachowaniu dużej udarności w temperaturach pracy. W przypadku laserowego nadtapiania stali narzędziowych znacznemu wzrostowi twardości warstwy wierzchniej towarzyszy obniżenie udarności, co ogranicza zastosowanie tej technologii do umacniania narzędzi. Zjawisku temu próbuje się zapobiegać stosując po obróbce laserem konwencjonalną obróbkę cieplną. Zamieszczone w literaturze wyniki badań dotyczą głównie oceny wpływu odpuszczania na strukturę i właściwości stali szybkotnących. Stąd w niniejszej pracy podjęto temat odpuszczania stali narzędziowych do pracy na gorąco i do pracy na zimno nadtapianych wiązką laserową. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań były stale: narzędziowe do pracy na zimno: X45NiCrMo4, X100CrMoV5-1, 100MnCrW4 i X155CrVMo12-1, narzędziowa do pracy na gorąco X38CrMoV5-1, stal szybkotnąca HS Próbki o wymiarach 8x8x40 mm naświetlano laserem CO 2 z parametrami umożliwiającymi nadtopienie warstwy wierzchniej: moc P=1,5 kw, prędkość skanowania v=0,8 m/min, średnica plamki lasera d=4 mm. Po obróbce laserowej zastosowano konwencjonalne odpuszczanie. Stale narzędziowe do pracy na zimno X45NiCrMo4 i 100MnCrW4 odpuszczano jednokrotnie w temperaturze C, stale X100CrMoV5-1 i X155CrVMo12-1 odpuszczano jednokrotnie w temperaturze C. Stal do pracy na gorąco X38CrMoV5-1 jednokrotnie w temperaturze C natomiast dla stali HS zastosowano odpuszczanie dwukrotne w temperaturze C. Temperatury odpuszczania zostały dobrane w oparciu o normy konwencjonalnej obróbki cieplnej dla poszczególnych gatunków stali. Przeprowadzono badania: metalograficzne SEM, pomiary mikrotwardości metodą Vickersa na zgładzie poprzecznym do kierunku naświetlania laserem, badania tribologiczne w warunkach tarcia technicznie suchego na testerze typu trzpień-tarcza T 01M przyjmując obciążenie węzła tarcia P=44,1 N, prędkość poślizgu v p =17,2 m/min.

3 47 3. WYNIKI BADAŃ Naświetlanie warstwy wierzchniej badanych stali narzędziowych laserem CO 2 z parametrami jak w pracy prowadzi do uzyskania strefy nadtopienia o głębokości maksymalnie 0,5 mm i szerokości do 5 mm (rys.1a). Kształt strefy nadtopienia jest wynikiem rozkładu energii wiązki laserowej. W zależności od przyjętych parametrów obróbki uzyskuje się różną chropowatość powierzchni. Wskutek burzliwych ruchów cieczy w jeziorku oraz intensywnego nadmuchu gazu ochronnego kształtowana jest geometria warstwy wierzchniej. Przeprowadzone badania na profilometrze FORM TALY SURF SERIES 2 (zgodnie z normą PN ISO 4288) wykazały, że laserowe nadtopienie powoduje wzrost podstawowych parametrów chropowatości. Powstający na powierzchni stali charakterystyczny relief będący wynikiem przemieszczania się źródła ciepła wzdłuż określonej trajektorii charakteryzuje się zmienną chropowatością (rys.1b, 1c). a) b) 2 mm 20 m c) R a =2,49 m R t =24,12 m 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 mm 20 m R a =1,60 m R t =22,20 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 mm Rys. 1. Stal X155CrVMo12-1: a) widok próbki, b) profil powierzchni nadtopionej wykonany w poprzek ścieżki, c) profil w kierunku zgodnym z ruchem wiązki laserowej Fig. 1. Steel X155CrVMo12-1: a) view of a sample, b) surface roughness executed in direction across the path, c) surface roughness in direction of laser beam movement Wartość parametru R a po obróbce laserem w kierunku zgodnym z ruchem wiązki wynosi od 1,60 do 2,25 m, natomiast kierunku poprzecznym od 1,71 do 2,49 m. W mikrostrukturze strefy nadtopienia stali narzędziowych do pracy na zimno X45NiCrMo4, X100CrMoV5-1, 100MnCrW4 widoczne są granice równoosiowych ziarn byłego austenitu powstałego podczas krystalizacji. Średnia wielkość ziarn wynosi

4 48 15 m. Wewnętrzną strukturę ziarn stanowią martenzyt listwowy i austenit szczątkowy. Długość listew martenzytu wynosi do 10 m (rys.2a). W strefie wpływu ciepła ujawniono na granicach ziarn charakterystyczną siatkę węglików stopowych (rys.2b). Podobnie jak w strefie nadtopienia wewnątrz ziarn występował martenzyt listwowy. Uzyskane struktury posiadały twardość odpowiednio X45NiCrMo4-680 HV0,065, X100CrMoV HV0,065, 100MnCrW4-780 HV0,065. Podczas obserwacji na mikroskopie SEM nie stwierdzono wyraźnych zmian mikrostruktury w wyniku odpuszczania. Efekty odpuszczania (procesy wydzieleniowe) uwidaczniają się w badaniach mikrotwardości. a) b) 3 m Rys. 2. Mikrostruktura stali X45NiCrMo4: a) strefa nadtopienia, b) strefy wpływu ciepła Fig. 2. Microstructure of steel X45NiCrMo4: a) remelted zone, b) heat influence zone 10 m Stal X155CrVMo12-1 należąca do grupy stali ledeburytycznych w strefie nadtopienia posiadała budowę komórkowo-dendrytyczną. Na granicach komórek występowała eutektyka. Wewnątrz komórek ujawniono martenzyt płytkowy i austenit szczątkowy (rys. 3). Mikrotwardość strefy nadtopienia przed odpuszczaniem wynosiła 840 HV0,065 a po odpuszczaniu 820 HV0,065. Rys. 3. Mikrostruktura strefy nadtopienia stali X155CrVMo12-1 Fig. 3. Microstructure of remelted zone steel X155CrVMo m W stali do pracy na gorąco X38CrMoV5-1 strefę nadtopienia tworzyły komórki dendrytyczne na granicach, których obserwowano jasną fazę węglikową. W obszarze

5 Mikrotwardość, HV0,065 X45NiCrMo4, X100CrMoV MnCrW4 X155CrVMo12-1 X38CrMoV5-1 HS tym występowały liczne rozprzestrzeniające się po granicach pęknięcia międzykrystaliczne będące skutkiem naprężeń cieplnych (rys.4). Wewnątrz komórek obserwowano martenzyt i austenit szczątkowy. Mikrotwardość strefy nadtopienia wynosiła 700 HV0,065. Przeprowadzenie odpuszczania prowadzi do niewielkiego obniżenia twardości do wartości 680 HV0,065. Mikrostrukturę stali po odpuszczaniu konwencjonalnym przedstawiono na rys m 2 m Rys. 4. Strefa nadtopienia stali X38CrMoV5-1 widoczne pęknięcia Fig.4. Remelted zone for steel X38CrMoV5-1 visible crack Rys. 5. Strefa nadtopienia stali X38CrMoV5-1 po odpuszczaniu Fig.5. Remelted zone steel X38CrMoV5-1 after tempering Strukturę stali szybkotnącej HS stanowiły komórki dendrytyczne. W przestrzeniach międzydendrytycznych występowała eutektyka zawierająca węgliki typu M 6 C. Wewnątrz komórek ujawniono martenzyt i austenit szczątkowy. Twardość strefy nadtopienia wynosiła 890 HV0,065 a w wyniku odpuszczania nastąpił jej wzrost do 950 HV0,065 (rys.6), spowodowany wydzieleniem węglików stopowych podczas nagrzewania do temperatury odpuszczania oraz przemianą austenitu szczątkowego w martenzyt podczas chłodzenia Nadtopiona laserem Nadtopiona laserem i odpuszczona Gatunek stali Rys. 6. Mikrotwardość stali narzędziowych po nadtopieniu laserowym i odpuszczaniu Fig. 6. Microhardness of tool steel after laser remelted and tempered

6 X45NiCrMo4, X100CrMoV MnCrW4 X155CrVMo12-1 X38CrMoV5-1 HS Zużycie, g 50 We wszystkich badanych stalach bezpośrednio pod strefą nadtopienia występowała wąska strefa wpływu ciepła (o szerokości do 0,2 mm). W strukturze obserwowano martenzyt, węgliki stopowe oraz austenit szczątkowy (rys. 7). Bezpośrednio pod strefą nadtopienia obserwowano lokalne nadtopienia materiału na granicach ziarn. 10 m Rys.7. Strefa wpływu ciepła stali 38CrMoV5-1 Fig.7. Heat influence zone steel X38CrMoV5-1 Wyniki badań tribologicznych (rys.8) pokazują, że laserowe nadtopienie stali narzędziowych do pracy na zimno poprawia średnio o 15% odporność na zużycie ścierne w stosunku do stali obrobionej cieplnie w sposób konwencjonalny [5]. Najmniejsze zużycie 0,01g wykazała stal 100MnCrW4 (po odpuszczaniu zużycie wynosiło 0,011g i było ono porównywalne ze zużyciem wagowym stali szybkotnącej). Na niski ubytek masy znaczący wpływ może mieć obecny w stali mangan, który wraz z żelazem tworzy cementyt stopowy odporny na ścieranie. Największe zużycie zarejestrowano dla stali X45NiCrMo4 - ponad dwukrotnie większe niż w stali 100MnCrW4. W przypadku stali do pracy na zimno X100CrMoV5-1, stali do pracy na gorąco X38CrMoV5-1 i stali szybkotnącej HS po nadtopieniu laserowym korzystne jest przeprowadzenie wysokiego odpuszczania, po którym stale wykazują mniejsze zużycie tribologiczne. 0,030 Nadtopiona laserem Nadtopiona laserem i odpuszczona 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 Gatunek stali Rys. 8. Wyniki badań tribologicznych stali narzędziowych po nadtopieniu laserowym i odpuszczaniu Fig. 8. Results of abrasion wear of tool steel after laser remelting and tempering

7 51 4. WNIOSKI Laserowe nadtapianie, badanych w pracy stali narzędziowych, prowadzi do wzrostu odporności tribologicznej w odniesieniu do stali ulepszonej cieplnie w sposób konwencjonalny. Korzystne jest przeprowadzenie procesu odpuszczania dla stali X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1, X38CrMoV5-1 oraz HS Zachowanie stosunkowo wysokiej twardości narzędziowych stali stopowych po wysokim odpuszczaniu jest wynikiem wystąpienia efektu twardości wtórnej - wydzielania węglików stopowych koherentnych z osnową martenzytu i przemianą austenitu szczątkowego. Obróbka laserowa z parametrami przyjętymi w pracy pozwala uzyskać chropowatość powierzchni stali w kierunku zgodnym z ruchem wiązki R a =1,60-2,25 m, natomiast kierunku poprzecznym R a =1,71-2,49 m. LITERATURA [1] Dausinger F., Bergmann H.W., Sigel j., Laser treatment of materials, 6-th European conference, Vol. 2, Germany, [2] Kusiński J., Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków, [3] Burakowski T., Wierzchoń T., Inżynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa, [4] Bylica A., Adamiak S., Dziedzic A., Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości wybranych staliarzędziowych do pracy na zimno, Archiwum Odlewnictwa PAN, nr 11, Katowice [5] Bylica A., Major B., Bochnowski W., Dziedzic A., Wpływ gęstości mocy i czasu oddziaływania wiązki laserowej na strukturę i zużycie tribologiczne stali szybkotnącej HS 6-5-2, Polska Metalurgia w latach , XIII Konferencja Sprawozdawcza Komitetu Metalurgii PAN, Kraków [6] Bylica A., Dziedzic A., Bochnowski W., Naprężenia własne i zużycie tribologiczne laserowo modyfikowanych stali szybkotnących, 7 Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin-Świnoujście [7] Fraś E., Krystalizacja metali i stopów, PWN, Warszawa, [8] Dobrzański L.A., Bonek M., Klimpel A., Własności warstwy wierzchniej stali X40CrMoV5-1 w zależności od warunków przetapiania przy użyciu lasera diodowego dużej mocy, Inżynieria Materiałowa, nr 6 (137), [9] Szatkowski W., Wpływ hartowania laserowego na strukturę i mikrotwardość wybranych stopów żelaza, Praca magisterska pod kierunkiem A. Bylicy, Uniwersytet Rzeszowski, Stelmach J., Badania odporności na zużycie ścierne stali i żeliw po hartowaniu laserowym, Praca magisterska pod kierunkiem A. Bylicy, Uniwersytet Rzeszowski, 2004.

8 52 MICROSTRUCRE AND PROPERITIES OF TOOL STEELS REMELTED WITH CO 2 LASER SUMMARY The following types of steels were the object of examinations - cold-work tool steels: X45NiCrMo4, X100CrMoV5-1, 100MnCrW4 and X155CrVMo12-1, hot-work tool steel X38CrMoV5-1, high-speed steel HS Samples were remelted with laser CO 2 and tempered conventionally. The following observations were performed: the metallographic SEM, measurements of micro hardness, abrasion resistance. The laser remelting of tool-grade steels leads to growth of abrasions resistance in comparison to steels subjected to conventional heat treatment. It is beneficial to perform tempering for the following steel types: X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1, X38CrMoV5-1 and HS The preservation of relatively high hardness of tool-alloy steels after high tempering is the result of secondary hardness - precipitations of alloy carbides coherent with martensite matrix and the transformation of residual austenite. Recenzował Prof. Marek Soiński