IMPULSOWE LASEROWE WYGRZEWANIE STALI NADEUTEKTOIDALNEJ

Transkrypt

1 27/25 Soidification ofmetas ans Aoys, No.27, 1996 Krzepnięcie Metai i Stopów, Nr 27, 1996 P AN - Oddział Katowice PL ISSN IMPULSOWE LASEROWE WYGRZEWANIE STALI NADEUTEKTOIDALNEJ BYLICA Andrzej Instytut Techniki Wyższej Szkoły Pedagogicznej Rzeszów, u. Rejtana 16a KUżMA Marian Instytut Fizyki Wyższej Szkoły Pedagogicznej Rzeszów, u. Rejtana I 6a Streszczenie W pracy przeanaizowano teoretycznie proces rozpuszczania się sferoidanego cementytu w stai nadeutektoidanej w warunkach nieizotermicznych podczas aserowej obróbki. Obiczenia przeprowadzone da impusów o czasie trwania 300!S i energii, która nie powoduje przetopienia powierzchni próbk.wskazują na zahartowanie stai. Wstęp Laserowe hartowanie stai jest procesem już szeroko stosowanym w nowoczesnych technoogiach (patrz np.[] rozdz.3) Jednakże fizyczne podstawy zjawisk zachodzących w czasie takiej obróbki stai nie są w pełni znane. W szczegóności zbadania wymaga taki dobór parametrów obróbki aserowej, aby hartowanie następowało bez przetopienia powierzchni. Również zbyt mało wiadomo na temat impusowego hartowania a wydaje się, że ze wzgędu na ekstremane warunki ciepne taki rodzaj obróbki może dawać niespodziewane wyniki. Bardzo dobrym materiałem do badań modeowych jest sta nadeutektoidana zawierająca ferryt jako osnowę i sferoidany cementyt (2,3,4]. W przypadku ciągego aserowego hartowania sta ta była badana przez Li, Easteringa i Ashby [5]. W niniejszej pracy zbadano możiwości hartowania tej stai w warunkach impusowej aserowej obróbki. Uwzgędniając znaczny niejednorodny proces ciepny zostaną przeprowadzone obiczenia stopnia rozpuszczania się cementytu i ujednorodnienia stężenia węga w osnowie. Są to bowiem najważniejsze etapy w procesie hartowania stai. Obiczenia przeprowadzono da stai nadeutektoidanej o średn i ej zawartości węga C c = %. Przyjęto średnią wiekość kuek cementytu

2 170 2r, = 0,81J.m ( r, - promień kuki), a średnia odegłość między środkami kuek wynosiła 2r, = 1,61J.m Gęstość pochłoniętej energii aserowej była dobierana tak aby temperatura na powierzchni próbki nie przekroczyła temperatury topnienia 0,{ = 1660 K. Stosowano aser neodymowy Y AG: N d J+ o czasie trwania impusu t = 300 J.!S. Po przekroczeniu temperatury Ac, w danym punkcie próbki następuje tworzenie się zarodków austenitu na granicy cementyt-ferryt (3,4,6]. Rozrostowi austenitu towarzyszy dyfuzja węga, która wiąże się z dwoma procesami: a) rozpuszczaniem się cementytu, b) ujednorodnieniem stężenia węga po rozpuszczeniu się cementytu. Przy chłodzeniu, jeżei jest dostateczna jego szybkość, obszary o stężeniu większym od krytycznego (et = 0,1%) uegają przemianie w martenzyt a inne w ferryt. Wiekość tacich obszarów zaeży od czasu wygrzewania. Ponieważ czasy te w przypadku obróbki impusowej są bardzo krótkie a procesy dyfuzyjne długie, naeży więc zbadać w jakim stopniu występują rozpuszczanie się cementytu i homogenizacja węga w zaeżności od odegłości od powierzchni w głąb próbki.. Rozpuszczenie cementytu Po przekroczeniu temperatury rozpadu cementyt rozpuszcza się poprzez dyfuzję węga. Aby okreśić wiekość obszaru o danym stężeniu naeży skorzystać z II prawa Ficka z nałożonymi warunkami brzegowymi. W ceu anaitycznego rozwiązania probemu stosuje się różne przybiżenia w zaeżności od tzw. parametru nasycenia K K= C~ -Co C~ -C~ () gdzie C 0 - stężenie węga w ferrycie wyjściowym, C~ - zawartość węga w austenicie w równowadze z cementytem, C~ - zawartość węga w cementycie w równowadze z austenitem. W przypadku stai nadeutektoidanej o średniej zawartości węga c:: ;" % oraz stężeniach q i q odczytanych z wykresu fazowego (rys.) parametr ten jest mały i datego da opisu procesu rozpuszczania sferoidanego cementytu zastosujemy mode inwariantnej wiekości [7]. W modeu tym (rys.2) przemieszczanie się granicy cementyt-ferryt w procesie zmiejszania się kuki cementytu o promieniu R( t) wskutek rozpuszczania się, jest zaniedbane.

3 171 a+fe,c SOO L L J----~~ C(%) Rys. 1. Wykres fazowy żeazo-węgie W przybiżeniu tym koncentracja węga w zaeżności od odegłości x od środka kuki cementytu zmienia się zgodnie ze wzorem [7]: C=~ e<p(-~ę)+~ (2) gdzie,; jest współrzędną zredukowaną,; = x- R( t), B 1, B 2 stałe: Cc -Co B1 = { r V }, B 2 =C, - B1, 1- exp- D[r,-R(t)] c (3) R(t) =r.- {zdt In (1 + K) +(r.-r,f} X (4) D- współczynnik dyfuzji, t - czas. Wiekość obszaru w którym węgie przekracza koncentrację krytyczną c. otrzymujemy przez podstawienie we wzorze (2) C= c. x = D In ( B 1 ) + R(t), V Cc- B 2 (5) gdzie C c - jest średnią zawartością węga w stai

4 172 _ 17 _ -D In Q+ K\ - {2Dt In (+ K) +(r,- t;} 2 } }'; r, - odegłość między środkami kuek cementytu, r; - promień tych kuek. (6) c R(t) c, ~ r Rys. 2. Mode inwariantnej wiekości rozpuszczania cementytu sferoidanego 2. Homogenizacja austenitu Od momentu całkowitego rozpuszczenia się kuki cementytu ( R(t) = O, krzywa ciągła na rys. 3) następuje proces ujednorodnienia się stężenia węga w austenicie (homogenizacja). c,_.._ ::...~_:_"_.. ~/::/,' ' ' Y Cct y ~... - ~;~~ C c t,',, _',, 'S~c, X Rys. 3. Zmiany koncentracji węga w austenicie w procesie homogenizacji Początkowy (da t= O) rozkład stężenia węga w austenicie (krzywa t Gna rys.3) opisany jest równaniami

5 173 x;?:o, X<O, (7) gdzie -Dn(+K) vc =. r. Rozwiązanie równania dyfuzji da tych warunków początkowych ma postać (5): C(x,) = 8 1 exp [- ~ x+(~~r Dt]+B2. (8) Podstawiając w tym wwrze c;:>: ck otrzymujemy wiekość X obszaru w którym stężenie węga przekracza stężenie krytyczne ck (9) 3. Obiczenia i anaiza wyników Rozważania przeprowadzone w poprzednich paragrafach nie uwzgędniały zmian temperaturowych. W przypadkach niestacjonarnych takich jakim jest aserowa obróbka, gdzie temperatury uegają szybkim intensywnym zmianom, w otrzymanych wzorach wiekość D naeży zastąpić intensywnością cyku ciepnego [8]: Dt = D 0 (O) ( R7~)~ ( J = 3 Q Q T exp - RJ~ (i) gdzie D- współczynnik dyfuzji, TP- maksymana temperatura otrzymywana na danej głębokości w próbce w wyniku nagrzewania powierzchni impusem aserowym, Q- energia aktywacji dyfuzji węga w austenicie, D 0 - czynnik częstotiwości, R- stała gazowa. W równaniu (Ił) r jest szerokością cyku ciepnego, r= 2, 47r 2 ea.pcr 8 4 (7~ - 7~) gdzie A q- pochłonięta moc wiązki aserowej, r - 8 promień wiązki aserowej, 8 - cząs trwania impusu aserowego, e- podstawa ogarytmu naturanego, p c - ciepło właściwe na jednostkę objętości, A. - przewodnictwo ciepne, T"- temperatura otoczenia. Temperaturę TP okreśamy ze standardowego wzoru na maksymaną temperaturę w cyku nagrzewania da krótkich czasów oddziaływania wiązki []: (12) T =T.. (~) ~ A qtb (13) P o+ e 7rpcr/(z+z 0 )'

6 174 gdzie a=a.fpc. (14) A q 1t rij 2 - gęstość pochłoniętej mocy. Obiczenia zostały przeprowadzone da następujących parametrów charakteryzujących obróbkę aserową i materiał jakim jest sta nadeutektoidana: t = 300j..s, r 8 = 3mm, Aq!!r/ = 0, W/m 2, C 0 =0, c;= %, C~ =6,7%, Cc = 1%, Ct =0,1%, 2r, = 0,8Jm, 2r, = 1,6Jm, p c =4, Jm. 3 K" 1,A.= 41Jm- 1 s- 1 K _,,a= 9, IO"m 2 s, 1; = 1660K, Q= 153KJ mo [9], D 0 = 10 -~m/s 2 [11], (!Sa) ( Sb) (15c) (15d) ( S e) Wyniki obiczeń zestawiono w tabei, gdzie z oznacza odegłość danego punktu od powierzchni próbki, R(z)- rozmiar kuek cementytu po zakończeniu cyku ciepnego, d1/dt- szybkość chłodzenia, x 1 (z)oraz x 2 (z) odpowiednio rozmiary obszaru o stężeniu przekraczającym stężenie krytyczne po rozpuszczeniu i homogenizacji. Tabea. Wyniki obiczeń rozpuszczania cementytu w austenicie z T p T x 10 ' f X 10 9 R(z) x 10- dt/dt x!0 5 x 1 (z) x 10-6 r 2 (z) x 10-6 [I o-' m} (K] [s] [m] [K/s] [m] [m] o ,6 0,68 O ,9 0, ,077 2,7 0, ,173 2,4 0, ,301 2,0 0, ,361 1,7 0, ,5 0,386 1,4 0, ,2 0,395 1, 1 0, ,36 0,398 0, ,11 0,4 0, ,03 0,4 0, ,008 0,4 0,5

7 175 Anaiza wyników zebranych w tabei wskazuje na całkowite rozpuszczenie się węgików do głębokości 151-m. Natomiast od 151!m do głębokości 601!m węgiki uegają częściowemu rozpuszczeniu. W całym tym obszarze szybkości chłodzenia są dostatecznie duże (większe od 0 3 K./s) na to aby cały austenit o stężeniu węga większym od Ck uegł przemianie w martenzyt. Wiekość obszarów o stężeniu większym od Ck = 0,1% są duże. Wynika z tego, że przy takich warunkach obróbki naeży spodziewać się zahartowania tej stai na głębokościach nie większych jednak jak 601-m. Na większych głębokościach intensywność cyku jest zbyt mała, aby rozpuścić cementyt. Ponadto na głębokościach większych od 70!m temperatura nie przekracza temperatury austenizacji. Zastosowana w pracy metoda badania procesów rozpuszczania sferoidanych obiektów w matrycy ma ogóny charakter i może być zastosowana do innych materiałów. Przykładem może być żeiwo sferoidane, gdzie grafit występuje w postaci kuek [6,10), które w procesie obróbki aserowej będą nasycały węgem ferryt. Literatura [] T. Burakowski, T. Wierzcheń, inżynieria powierzc/mi metai, WNT, Warszawa [2) W. C. Lesie, The? hysica Metaurgy oj Stees, Me Grow-Hi, N. Y [3) F. Staub, J. Adamczyk, L. Cieśak, J. Gubałą, A. Maciejny, Metaoznawstwo, Wydawnictwo Śąsk, Katowice (4] K. Przybyłowicz, Metaoznawstwo, WNT, Warszawa [5] W. B. Li, K. E. Eastering, M. F. Ashby, Laser transformation hardening stee. Hypereutectoid stees, Acta metai., 34, Nr 8, (1986). [6] A. Byica, Wpływ krzemu i manganu oraz szybkości grzania i chłodzenia na temperatury przemiany A 1 w żeiwie sferoidanym, praca habiitacyjna, Giwice [7] H. B. Aaron, D. Fainstein, G. R Koder, J. AppL Phys., 41,4404 (1970). [8) M. F. Ashby, K. E. Eastering, The transjormation hardeningoj stee surfaces by aser beams Hypo-eutectoid steef, Acta metta., 32, Nr Ił, (1984). [9) Poradnikfizykochemiczny, WNT, Warszawa 1961, str [ O) A. Kozik, Przemiana Ar:, w żeiwie sferoidanym, praca doktorska, Rzeszów [11] Handbook q[chemistry and Physics, Chem. Rubber, N. Y