Badania nad stopowaniem laserowym warstw wierzchnich elementów cylindrycznych z żeliwa sferoidalnego

Transkrypt

1 MARTA PACZKOWSKA, Grzegorz kinal Badania nad stopowaniem laserowym warstw wierzchnich elementów cylindrycznych z żeliwa sferoidalnego WPROWADZENIE Jednym z coraz szerzej stosowanych materiałów w budowie maszyn, szczególnie w przemyśle motoryzacyjnym i maszyn rolniczych, jest żeliwo sferoidalne. Rosnący zakres zastosowania wynika z szeregu korzystnych właściwości tego materiału, takich jak: lepsza od stali zdolność tłumienia drgań, większa przewodność cieplna, mniejsza o 10% gęstość, a także mniejsza wrażliwość na działanie karbu (przy właściwościach mechanicznych bliskich stalom). Żeliwa sferoidalne wykorzystuje się między innymi na elementy skrzyń biegów, koła zębate, tuleje cylindrowe, wały korbowe, wałki rozrządu. Niektóre fragmenty tych elementów powinny charakteryzować się warstwami wierzchnimi o zwiększonej odporności na zużycie, np. czopy w przypadku wałów korbowych czy wałków rozrządu. Laserowa obróbka cieplna (LOC) znajduje zastosowanie do modyfikacji warstw wierzchnich elementów z różnych materiałów, ale przede wszystkim stopów metali [1 4]. Pozwala na lokalną modyfikację tylko tych fragmentów części maszyn, które są najbardziej narażone podczas pracy na intensywne zużycie w wyniku tarcia lub korozji. Taka miejscowa zmiana właściwości warstwy wierzchniej jest w wielu przypadkach całkowicie wystarczająca, a nawet czasami wymagana. Dotychczasowe badania wykazały, że warstwy wierzchnie żeliw sferoidalnych, np. po przetapianiu laserowym, mogą osiągnąć mikrotwardość od 700 do 1300 HV0,1 w zależności od zastosowanych parametrów LOC. Mikrostruktura tych warstw jest drobnoziarnista i cechuje się dużym stopniem ujednorodnienia. Wykazano, że warstwy składają się z martenzytu, cementytu, austenitu szczątkowego, a także niewielkich ilości grafitu [5]. Jeszcze większą mikrotwardość i lepszą odporność na korozję warstwy wierzchnie żeliw mogą uzyskiwać po stopowaniu laserowym (np. borowaniu) [5 7]. W wyniku borowania laserowego mikrostruktura jest wzbogacana o twarde i odporne na korozję borki żelaza Fe 2 B [5, 6]. Zalety borków żelaza są wykorzystywane przede wszystkim w warstwach wierzchnich uzyskiwanych metodą tradycyjną borowania dyfuzyjnego. Jednakże badania własne [5] wykazały, że przetapianie, a szczególnie borowanie laserowe (o maksymalnych głębokościach stref borowanych 0,18 0,20 mm), pozwala także zwiększyć odporność na zużycie przez tarcie. Jednym z istotnych problemów konstytuowania warstwy wierzchniej za pomocą LOC jest otrzymanie warstwy o jednorodnej, drobnej mikrostrukturze występującej na żądanym obszarze. W przypadku tworzenia warstwy przez nakładanie się kolejnych stref przetapianych tzw. metodą rastru jest konieczne zbadanie wpływu oddziaływania nagrzewania wiązką laserową jednej strefy przetopionej na utworzoną i zastygłą wcześniej. Należy się liczyć z ewentualnymi procesami odpuszczania wcześniej przetopionej strefy, a w związku z tym ze zmniejszeniem mikrotwardości. Dr inż. Marta Paczkowska (marta.paczkowska@put.poznan.pl), dr inż. Grzegorz Kinal Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska Zjawiska związane z odpuszczaniem laserowym zostały zaobserwowane w badaniach własnych [7]. Jednak w przypadku tworzenia warstwy z dodatkiem pierwiastka stopowego procesy te mogą być hamowane. Uzyskanie odpowiedniej budowy i wynikających z tego właściwości warstwy wierzchniej za pomocą stopowania laserowego cylindrycznych elementów z żeliwa sferoidalnego stanowiło przedmiot prezentowanych badań, które są częścią prac związanych z LOC żeliw szarych. Celem tych badań był dobór parametrów obróbki laserowej pozwalający na utworzenie warstwy wierzchniej metodą rastru. Metodyka badań LOC polegała na stopowaniu warstwy wierzchniej elementu cylindrycznego z żeliwa sferoidalnego GJS 600-3, którego wytop zwierał: 3,31% C, 0,53% Mn, 3,31% Si 0,06% P i 0,001% S. Obróbce poddano powierzchnię zewnętrzną elementu. Warstwa powstała przez nałożenie na powierzchnię wałka pasty zawierającej amorficzny bor o grubości 40 μm, a następnie na nagrzewaniu tej powierzchni wiązką laserową do temperatury powodującej przetopienie warstwy wierzchniej wałka wraz z nałożoną pastą, powodując jednoczesne wymieszanie obu składników i natychmiastowe krzepnięcie nowopowstałego stopu. Badania przeprowadzono w dwóch etapach. Pierwszy polegał na wykonaniu stopowania laserowego za pomocą jednokrotnego nagrzewania wiązką laserową po obwodzie wałka. Celem tego etapu był wybór optymalnych parametrów obróbki laserowej, które można użyć do wytworzenia warstwy stopowanej metodą rastru. Drugi etap badań polegał na wykonaniu takiej warstwy oraz ocenie możliwości jej wykorzystania do czopów wałów korbowych przeznaczonych do badań zużycia. W pierwszym etapie badań wykonano dziewięć wariantów LOC dla dwóch prędkości liniowych wiązki laserowej z różnymi gęstościami jej mocy zamieszczonymi w tabeli 1. Obróbkę laserową prowadzono za pomocą lasera molekularnego CO 2 firmy TRUMPF o maksymalnej mocy 2600 W i modzie TEM 01, znajdującego się w Laboratorium Techniki Laserowej w Instytucie Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej. Tabela 1. Parametry LOC zastosowane w pierwszym etapie badań Table 1. The laser heat treatment parameters applied in the first stage of the research Lp. Gęstość mocy wiązki laserowej E W mm 2 Prędkość liniowa wiązki laserowej v, mm s INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV

2 Materiałem do badań były wałki o średnicy 44 mm z żeliwa sferoidalnego. Po każdej LOC wykonano badania mikrostruktury i mikrotwardości na poprzecznych zgładach metalograficznych w miejscach zaznaczonych na rysunku 1. Do obserwacji mikrostruktury stosowano mikroskop świetlny Zeiss Epiquant sprzężony z kamerą CCD, a pomiary mikrotwardości sposobem Vickersa przy obciążeniu 100 G wykonano na mikrotwardościomierzu 3212 firmy ZWICK. Profile powierzchni badano na profilografometrze Jena Carl Zeiss z programem firmy SAJD. Głównym celem badań profliografometrycznych było określenie maksymalnej wysokości profilu H s oraz maksymalnego zagłębienia profilu h s po LOC (rys. 2). Powodem tego jest konieczność ustalenia grubości warstwy koniecznej do mechanicznego usunięcia. Badania przeprowadzono w Laboratorium Warstwy Wierzchniej w Instytucie Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki Poznańskiej. Wyniki i analiza badań pierwszego etapu Po obróbce laserowej dla pięciu z dziewięciu wariantów kombinacji parametrów wiązki laserowej (rys. 3) uzyskano zmodyfikowaną warstwę wierzchnią charakteryzującą się budową strefową typową dla obróbki laserowej z przetopieniem [8]. Obserwowano strefę stopowaną (przetopionej z borem) oraz występującą pod nią strefę przejściową (z elementami przetopionymi i nieprzetopionymi). Wytworzenie strefy przejściowej, charakterystycznej w przypadku obróbki laserowej żeliwa, pozwala prognozować dobre połączenie strefy stopowanej z częścią zahartowaną ze stanu stałego materiału Rys. 3. Mikrostruktura stref stopowanych (oraz ich połącznia ze strefami zahartowanymi ze stanu stałego) uzyskane dla różnych parametrów LOC: a) v = 16 mm/s, E = 35 W/mm 2, b) v = 16 mm/s, E = 42 W/mm 2, c) v = 16 mm/s, E = 50W/mm 2, d) v = 3 mm/s, E = 21W/mm 2, e) v = 3mm/s, E = 28W/mm 2 Fig. 3. The microstructure of alloyed (remelted) with their connection with hardened zone zones after laser heating with different parameters: a) v = 16 mm/s, E = 35W/mm 2, b) v = 16 mm/s, E = 42W/mm 2, c) v = 16mm/s, E = 50W/mm 2, d) v = 3mm/s, E = 21W/mm 2, e) v = 3mm/s, E = 28W/mm 2 Rys. 1. Schemat przekroju poprzecznego warstwy wierzchniej wałka z badanego żeliwa po LOC: a) polegającej na jednokrotnym nagrzewaniu, b) metodą rastru Fig. 1. The schema of cross-section of shaft surface layer made of tested cast iron after single-path laser heating (a), and after laser raster-scanning (b) Przetopienie Rys. 2. Schemat poprzecznego profilu powierzchni po przetapianiu laserowym Fig. 2. The scheme of surface profile cross-section after laser remelting h s H s podłoża (strefą zahartowaną). We wszystkich analizowanych przypadkach stref stopowanych była widoczna również niewielka liczba kulek grafitu nierozpuszczonych do końca podczas obróbki. W przypadku stosowania podczas obróbki prędkości liniowej wiązki laserowej równej 3 mm/s zaobserwowano mniejszą liczbę nierozpuszczonych kulek grafitu niż po obróbce z większą prędkością. Ponadto we wszystkich strefach stopowanych zaobserwowano strukturę dendrytyczną (w szczególności w pobliżu strefy przejściowej). Natomiast w obszarach stref stopowanych występujących blisko obrabianej powierzchni były widoczne borki żelaza (rys. 4) o charakterystycznym kształtcie wieloboków typowe dla borowania laserowego [5, 6] oraz plazmowego [9]. W przypadku najmniejszej z przyjętych gęstości mocy wiązki laserowej E = 14 W/mm 2 nie uzyskano przetopienia dla obu zastosowanych prędkości liniowych wiązki laserowej. Dla mniejszej prędkości liniowej v = 3 mm/s i gęstości mocy 21 oraz 28 W/mm 2 pojawiła się już strefa stopowana, natomiast dla większej prędkości liniowej v = 16 mm/s wartości tych gęstości mocy okazały się jeszcze niewystarczające. Dla tej prędkości dopiero gdy gęstość mocy wynosiła co najmniej 35 W/mm 2 można było zaobserwować strefę stopowaną. Maksymalną głębokość l s i szerokość a s uzyskanych stref stopowanych przedstawiono na rysunku 5. Zmianę mikrotwardości od powierzchni w kierunku rdzenia obrabianego laserowo wałka przedstawiono na rysunku 6. Od około 0,3 mm mikrotwardość zmniejsza się (co odzwierciedla występowanie strefy zahartowanej) do wartości mikrotwardości rdzenia. Średnie wartości mikrotwardości stref stopowanych przedstawiono na rysunku 7. Największą średnią mikrotwardość (zmierzoną na przekroju poprzecznym) uzyskano w przypadku zastosowania prędkości v = 3 mm/s przy gęstości mocy wiązki laserowej E = 21 W/mm 2 (1400 HV0,1) oraz prędkości v = 16 mm/s przy E = 35 i 42 W/mm 2 (ok HV0,1). Poza tym można było NR 1/2013 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 39

3 Rys. 4. Mikrostruktura strefy stopowanej; parametry LOC: v = 16 mm/s, E = 35W/mm 2 Fig. 4. Microstructure of the alloyed zone; parameters of laser heating: v = 16 mm/s, E = 35W/mm 2 a s, mm Rys. 5. Maksymalna głębokość l s i szerokość a s stref stopowanych Fig. 5. The maximum depth l s and width a s of the alloyed zones zauważyć charakterystyczną dla stopowania laserowego zależność między wielkością uzyskanej strefy stopowanej a jej mikrotwardością. Strefy o większych wymiarach charakteryzowały się mniejszą średnią mikrotwardością (rys. 8) wynikającą z mniejszego stężenia wprowadzonego pierwiastka stopowego. Badania profilografometryczne obrobionych laserowo powierzchni wykazały, iż parametr chropowatości Ra mieścił się w zakresie 1,5 3 μm, a Rz oraz parametr falistości Wa mieściły się w zakresie μm. Uzyskane profile pozwoliły określić grubość warstwy materiału koniecznej do usunięcia (rys. 9). Z pomiarów wynika, że we wszystkich przypadkach oprócz jednego (dla E = 50 W/mm 2 i v = 16 mm/s, dla którego potrzebne byłoby usunięcie aż 100 μm) wystarczy usunięcie tylko ok. 40 μm materiału. Niemniej jednak usuniecie warstwy o takiej grubości w przypadku niewielkich wymiarów stref dla wariantów: v = 16 mm/s, E = 35 W/mm 2 oraz v = 16 mm/s, E = 42 W/mm 2 (rys. 3 i 5) powodowałoby znaczne zmniejszenie głębokości i szerokości strefy stopowanej. Zastosowanie tych parametrów do wykonania rastru i zapewnienia ciągłej warstwy stopowanej o docelowej minimalnej grubości od 0,15 mm do 0,20 mm (uwzględniając końcową obróbkę mechaniczną) wymagałoby zastosowania posuwu wiązki laserowej względem wałka na poziomie poniżej 1 mm/obr przy tworzeniu rastru. Powodowałoby to nadmierne nagrzewanie się elementu oraz nie byłoby uzasadnione ekonomicznie. Eliminuje to zastosowanie tych wariantów do tworzenia rastrów. Na podstawie uzyskanych efektów dokonano selekcji wariantów parametrów obróbki laserowej oraz dobrano wartość posuwu wałka względem wiązki laserowej w celu uzyskania warstwy wierzchniej przez nałożenie się stref stopowanych metoda rastru o wielkości f = 2 mm/obr. Ze względu na dużą mikrotwardość, odpowiednią wielkość strefy oraz konieczność usunięcia niewielkiej warstwy materiału po LOC, najkorzystniejszy okazał się wariant z, mm Rys. 6. Zmiana mikrotwardości warstwy od powierzchni w głąb stref powstałych w wyniku LOC Fig. 6. The microhardness changes of the layer from the surface to the core by created zones as a result of laser heat treatment a s, mm Rys. 8. Zależność średniej mikrotwardości stref stopowanych od szerokości strefy przetopionej a s Fig. 8. The relationship between the average microhardness of alloyed zones and their width a s Rys. 7. Średnia mikrotwardość stref stopowanych Fig. 7. The average microhardness of alloyed zones H s, h s, µm Rys. 9. Parametry H s i h s profilu powierzchni po LOC Fig. 9. H s and h s surface profile parameters after laser heat treatment 40 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV

4 dla prędkości liniowej wiązki laserowej v = 3mm/s i gęstości mocy E = 21 W/mm 2. Warto również zaznaczyć, że tylko w tym przypadku nie zaobserwowano iskrzenia podczas LOC, które może zwiększać chropowatość powierzchni. Wyniki i analiza badań drugiego etapu Obszar dwukrotnie przetopiony 100 m Analiza mikrostruktury po obróbce laserowej wałka wzdłuż linii śrubowej wykazała, że, stosując posuw f = 2mm/obr, strefy stopowane nałożyły się, tworząc ciągłą warstwę stopowaną. Rysunek 10 przedstawia fragment mikrostruktury warstwy stopowanej w miejscu połączenia stref stopowanych. Utworzona metodą rastru warstwa stopowana charakteryzowała się mikrostrukturą podobną do strefy tworzonej przez pojedyncze nagrzewanie wiązką w całym obszarze poza miejscami podwójnie przetopionymi. W opisywanych miejscach można zaobserwować nowopowstałe wydzielenia faz, zarodkujące na granicy ze strefą uprzednio stopowaną (rys. 10). Minimalna głębokość warstwy stopowanej l min (wg oznaczenia na rysunku 1) określona w miejscu nałożenia się stref przetopionych wniosła ponad 0,2 mm, co oznacza, że po usunięciu koniecznej warstwy materiału pozostaje ponad 0,15 mm warstwy stopowanej. Wynika z tego, iż wybrany posuw był całkowicie wystarczający. Badania mikrotwardości na przekroju poprzecznym wytworzonej warstwy wierzchniej (złożonej z czterech stref stopowanych) wykazały, że średnia mikrotwardość to 1198±15 HV0,1 (rys. 11), podczas gdy średnia mikrotwardość strefy utworzonej dla tych samych parametrów wiązki laserowej, ale przy wykonywaniu pojedynczego nagrzewania, była o ok. 200 HV0,1 większa (rys. 7). Podczas wykonywania rastru obrabiany element ulega większemu nagrzaniu niż przy wykonywaniu pojedynczej ścieżki, co zmniejsza szybkość chłodzenia ścieżki. Potwierdza to wyniki wcześniej prowadzonych badań dotyczących wpływu szybkości chłodzenia podczas obróbki żeliwa sferoidalnego na mikrotwardość stref borowanych laserowo [6]. Ponadto można zaobserwować niewielkie zmniejszenie mikrotwardości od strony czwartej (ostatniej) strefy w kierunku pierwszej (rys. 11). Mniejsza mikrotwardość w obszarze wcześniej powstałych stref może wynikać z procesów odpuszczania na skutek nagrzewania wiązki laserową podczas tworzenia kolejnych stref stopowanych. Średnia mikrotwardość części obejmującej ostatnią strefę stopowaną oraz fragmentu strefy trzeciej (która mogła ulec jedynie powtórnemu zahartowaniu) była o ok. 50 HV0,1 (4%) większa od części obejmującej strefy powstałe wcześniej, w których mogły zajść procesy odpuszczania. Zmniejszenie mikrotwardości w związku z tym jest niewielkie i można spodziewać się braku wyraźnych zmian w mikrostrukturze. Obserwacja mikroskopowa części o mniejszej mikrotwardości (pierwszej, drugiej oraz fragmentu trzeciej strefy stopowanej) ujawniła morfologię typową dla stref stopowanych powstałych po jednokrotnym nagrzewaniu wiązką laserową (tzn. drobnoziarnistą mikrostrukturą z występującymi dendrytami od strony podłoża). Na rysunku 12 Rys. 10. Mikrostruktura warstwy wierzchniej uzyskanej metodą rastru przez stopowanie laserowe żeliwa sferoidalnego (fragment w miejscu nałożenia się pojedynczych stref stopowanych) dla v = 3 mm/s, E = 21 W/mm 2 Fig. 10. The microstructure of surface layer achieved by laser raster scanning with alloying of nodular iron (in the place of single-path zones connection) with v = 3 mm/s, E = 21 W/mm 2 a, mm Rys. 11. Mikrotwardość na przekroju poprzecznym warstwy stopowanej wraz z zaznaczonymi poszczególnymi strefami przetopionymi wg kolejności ich powstawania podczas LOC Fig. 11. The microhardness on the section of the alloyed layer with particular remelted zones mark according to their creation during laser heat treatment przedstawiono mikrostrukturę w części warstwy o mniejszej mikrotwardości. Niemniej jednak tendencję zmniejszania się mikrotwardości na przekroju warstwy stopowanej otrzymanej metodą rastru należy wziąć pod uwagę przy tworzeniu warstwy stopowanej na dłuższych odcinkach elementów. Rys. 12. Mikrostruktura warstwy stopowanej w obszarze pierwszej strefy stopowanej przy granicy ze strefą drugą Fig. 12. The microstructure of the alloyed layer in the region of the first alloyed zone at the border of second alloyed zone NR 1/2013 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 41

5 podsumowanie i wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań w pierwszym etapie można stwierdzić, że w wyniku stopowania laserowego żeliwa sferoidalnego było możliwe uzyskanie w warstwie wierzchniej strefy stopowanej (borowanej) oraz znajdującej się pod nią strefy zahartowanej ze stanu stałego. Strefy stopowane charakteryzowały się drobnoziarnistą mikrostrukturą wzbogaconą o wprowadzony pierwiastek stopowy. Widoczny był wyraźny wpływ zastosowanej prędkości liniowej wiązki laserowej (determinującej szybkość nagrzewania warstwy wierzchniej) na powstawanie i wymiary stref stopowanych. Maksymalne głębokości uzyskanych stref stopowanych dla badanego żeliwa sferoidalnego wyniosły od blisko 0,1 do 0,5 mm w zależności od zastosowanych parametrów LOC. Wraz ze wzrostem gęstości mocy wiązki laserowej zwiększały się wymiary strefy stopowanej, czego skutkiem była mniejsza jej średnia mikrotwardość wynikająca z mniejszego stężenia wprowadzanego pierwiastka stopowego. Średnia mikrotwardość stref stopowanych wyniosła od 1200 do 1400 HV0,1 w zależności od zastosowanego wariantu LOC. Przetapianie laserowe z różnymi parametrami wiązki laserowej powodowało podobne we wszystkich przypadkach zmiany stereometryczne powierzchni (poza jednym, podczas którego zastosowano największą gęstość mocy wiązki). Biorąc pod uwagę wymiary stref stopowanych, ich średnią mikrotwardość, zmiany profilu powierzchni determinujące grubość materiału konieczną do usunięcia, wybrano jeden wariant do LOC, mającej na celu utworzenie warstwy stopowanej metodą rastru w przypadku elementu cylindrycznego. Wyniki uzyskane w drugim etapie badań pozwoliły natomiast stwierdzić, że jest możliwe lokalne kształtowanie warstwy wierzchniej żeliwnych elementów cylindrycznych (ich powierzchni zewnętrznych) uzyskując 4-ktotnie większą mikrotwardość od mikrotwardości rdzenia. Należy liczyć się z niewielką różnicą w mikrotwardości warstwy stopowanej na początku i na końcu tworzonego rastru (mniejsza mikrotwardość w pierwszej części może wynikać z procesów odpuszczania), która jednakże nie powinna mieć wpływu na właściwości użytkowe elementu przy wykonywaniu warstw na krótkich odcinkach. Warstwa wierzchnia wytworzona metodą rastru charakteryzowała się drobną mikrostrukturą, podobną jak w przypadku stref stopowanych powstałych po jednokrotnym nagrzewaniu. Minimalna grubość warstwy stopowanej (w miejscach połącznia stref stopowanych) wyniosła 0,2 mm. Opracowane parametry stopowania laserowego metodą rastru mogą być wykorzystane do modyfikacji warstw wierzchnich głównych i korbowych czopów wału korbowego lub czopów wałka rozrządu z żeliwa sferoidalnego. Podziękowanie Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach LITERATURA [1] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa (1995). [2] Major B.: Ablacja i osadzanie laserem impulsowym. Akapit (2002). [3] Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Akapit (2000). [4] Kusiński J., Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty laserowego przetapiania stopów żelaza. I Ogólnopolska Konferencja Naukowa pt. Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchniowej, Łódź, wrzesień (1994) [5] Paczkowska M.: Możliwości modyfikacji struktury i własności warstwy powierzchniowej elementów maszyn przez borowanie laserowe. Inżynieria Materiałowa 6 (2008) [6] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surface and Coatings Technology 205 (2010) [7] Paczkowska M.: Ocena skutków laserowego ulepszania cieplnego warstwy powierzchniowej elementów z żeliwa sferoidalnego. Inżynieria Materiałowa 4 (2011) [8] Kusiński J.: Metalurgiczne podstawy kształtowania struktury i własności warstwy wierzchniej materiałów podczas obróbki laserowej. V Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin-Świnoujście (1996) [9] Bourithis L., Papaefthymiou S., Papadymitriu G. D.: Plasma transferred arc boriding of a low carbon steel microstructure and wear properties. Applied Surface Science 200 (2002) INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV