KSZTAŁT ŁUKU PLAZMOWEGO W APSEKCIE ZMIAN STRUKTURALNYCH PODCZAS PROCESU PRZETOPIENIA WARSTWY WIERZCHNIEJ

Transkrypt

1 80/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN KSZTAŁT ŁUKU PLAZMOWEGO W APSEKCIE ZMIAN STRUKTURALNYCH PODCZAS PROCESU PRZETOPIENIA WARSTWY WIERZCHNIEJ A. DUDEK 1, Z. NITKIEWICZ 2 Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Materiałowej ul. Armii Krajowej 19 STRESZCZENIE W pracy zaprezentowano korelację parametrów prądowo-napięciowych plazmy łukowej (wraz z analizą geometrii kształtu łuku) z efektami geometrycznymi stref powstałych podczas przetopienia obrabianego elementu. Materiał do badań stanowiły próbki wykonane ze stali niskostopowej z powłoką ceramiczną TiO 2. Opracowano szereg matematycznych korelacji, których zastosowanie przyczyni się do szybkiego prognozowania efektów strukturalnych powstałych po obróbce powierzchniowej plazmą łukową. Key words: plasma arc, structural changes, surface remelting 1. WSTĘP W procesie wytwarzania warstw powierzchniowych, szerokie zastosowanie znalazły skoncentrowane źródła energii [1-13]. Każde z tych źródeł charakteryzuje się właściwą sobie mocą cieplną, która decyduje o mniej lub bardziej efektywnym procesie nagrzewania i topnienia modyfikowanego materiału (rys.1). Podstawowym problemem ograniczającym szerokie zastosowanie źródeł ciepła jest dobór parametrów prądowo-napięciowych odbywający się zazwyczaj metodą prób i błędów, co z reguły jest pracochłonne i kosztowne. 1 dr inż., dudek@mim.pcz.czest.pl; 2 prof. dr hab. inż., nitkiew@mim.pcz.czest.pl

2 Zrozumiałym wydaje się więc intensywne poszukiwanie metody szybkiego prognozowania efektów przetopienia, co powinno ułatwić i przyspieszyć dobór parametrów użytego źródła. Umożliwi to ponadto szeroką aplikację technologii. Rys. 1. Wpływ skoncentrowania źródła na głębokość przetopienia - h, szerokość przetopienia - d oraz szerokość SWC s [12]. Fig. 1. The influence welding arc for the geometric parameters [12]. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Do badań użyto stal 40Cr4 (do ulepszania cieplnego i hartowania powierzchniowego) pokrytą (metodą natrysku plazmowego) 200 µm ceramiczną powłoką TiO 2. Powierzchnie próbek poddano przetopieniu z zastosowaniem łuku plazmy z wykorzystaniem następujących parametrów prądowo-napięciowych: 30-70A, prędkość przesuwu źródła 460 mm/min, odległość od powierzchni obrabianego elementu 2 mm. Schemat przykładowego stanowiska do przetapiania prezentuje rys.2. Rys. 2. Schemat stanowiska do przetapiania [13]. Fig. 2. The scheme of the plasma arc [13]. 200

3 3. METODYKA I PRZEBIEG BADAŃ Do rejestracji i analizy kształtu łuku został wykorzystany system wizyjny dla pomiarów wysokotemperaturowych, sterowany komputerowo. Zadaniem systemu była wizualizacja i archiwizacja obrazu wraz z pozyskaniem obrazu łuku w postaci cyfrowej. Przykładowy obraz łuku uzyskany dzięki zastosowaniu kamery Vigo V-20 przedstawia rys. 3. W ramach eksperymentu przeprowadzono szeroką modyfikację warstwy wierzchniej próbek badawczych, począwszy od nadtopienia samej powłoki (z jednoczesną przemianą fazową rdzenia w stanie stałym), aż po przetopienie jej wraz z materiałem podłoża (stopowanie). Na wykonanych zgładach poprzecznych dla poszczególnych zastosowanych parametrów prądowo-napięciowych przeprowadzono badania metalograficzne wykorzystując mikroskop optyczny Axiovert 25. Wykonane mikrostruktury posłużyły następnie do analizy geometrii stref powstałych w wyniku przetopienia. Otrzymane w postaci cyfrowej obrazy łuku zostały poddane komputerowej analizie obrazu za pomocą programu IMAGE Pro Plus WYNIKI BADAŃ Rys. 3. Obraz łuku plazmowego otrzymany z kamery termowizyjnej. Fig. 3. The received profile during substrate remelting. W zależności od parametrów prądowo-napięciowych otrzymano dwa rodzaje zmian (stref) w przetopionych próbkach. Badania mikrostrukturalne (przeprowadzone na zgładach poprzecznych) próbek, które zostały przetopione łukiem plazmy o natężeniu prądu do 40A ujawniły, iż przetopieniu uległa jedynie część powłoki TiO 2, natomiast materiał rdzenia został częściowo nagrzany do zakresu temperatur powyżej A c3 (SWC) (rys.4a). Próbki, które zostały przetopione łukiem plazmy o natężeniu prądu powyżej 40A uległy stopowaniu, czyli uprzednio nałożona powłoka została przetopiona wraz z podłożem. Próbki te posiadały dwie strefy: strefę materiału przetopionego 201

4 zwanego w dalszej części łezką oraz strefę materiału nagrzanego do zakresu temperatur A 1 i solidusu (SWC) (rys.4b). Strefa zahartowana ze stanu stałego Strefa nagrzana poniżej temp. A c1 Struktura rdzenia a Strefa przetopiona Strefa Wpływu Ciepła b Struktura rdzenia Rys. 4a, b. Mikrostruktura ścieżki przetopienia z zaznaczonymi strefami, 60A, pow. 30x. Fig. 4a, b. The optical micrograph of surface layers, 60A, magn. 30x. Skuteczność przetapiania zależy bezpośrednio od ilości doprowadzonego ciepła do materiału. Mając na uwadze, że niemal cała energia elektryczna w łuku jest zamieniana na ciepło, obliczono moc łuku. Znając energię dostarczoną do łuku i prędkość przetapiania, można obliczyć ilość dostarczonego ciepła i wyrazić ją w energii na jednostkę długości spoiny. Wyniki prezentuje rys

5 moc cieplna [kj/s], Energia liniowa [kj/mm] 10 9 Energia liniowa Moc cieplna natężenie [A] Rys. 5. Zmiana mocy cieplnej oraz energii liniowej w zależności od zastosowanego natężenia prądu łuku. Fig. 5. The heat power and linear energy in dependence of intensity. Komputerowa analiza uzyskanych obrazów cyfrowych łuku przyczyniła się do wyznaczenia parametrów opisujących łuk (min. pole, szerokość, długość) oraz parametry stereologiczne stref w materiale (min. szerokość, długość, pole). Otrzymane wielkości pozwoliły na uzyskanie matematycznych korelacji pomiędzy geometrią łuku a strefami w materiale. Zmianę szerokości SWC w obrabianym cieplnie materiale w funkcji natężenia prądu prezentuje rys.6. Wyznaczone za pomocą komputerowej analizy obrazu, pola powierzchni SWC i łezki opisano funkcjami regresji w zależności od zastosowanego natężenia. Wyniki przedstawia rys.7. Przedmiotem analizy była również wyliczona szerokość łuku plazmowego, którą porównano z szerokością zmian strukturalnych na powierzchni próbek. Szerokość SWC uległa zmianie wprost proporcjonalnie tworząc liniową zależność z natężeniem łuku (rys.8). Ponadto jak wynika z przeprowadzonej analizy, szerokość materiału przetopionego łezki, odpowiada wymiarami szerokości łuku. 203

6 4,5 szerokosc SWC [mm] 4 3,5 3 2, natężenie [A] Rys. 6. Szerokość strefy wpływu ciepła w obrabianym materiale. Fig. 6. The length of the heat-affected zone. Pole powierzchni lezki,swc 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Strefa Wpływu Ciepła y = -0,0034x 2 + 0,4244x - 10,419 R 2 = 0,9938 łezka y = 0,0179x - 0,7227 R 2 = 0, natężenie [A] Rys. 7. Pole powierzchni stref w materiale w funkcji natężenia łuku. Fig. 7. The surface area in the materials. 204

7 szerokość łuku plazmowego [mm] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 y = 0,5608x - 0,4628 R 2 = 0, ,5 3 3,5 4 4,5 szerokość SWC [mm] Rys. 8. Szerokość łuku plazmowego w funkcji szerokość strefy wpływu ciepła. Fig. 8. The length of the plasma arc and heat affected zone. 5. PODSUMOWANIE Przetopienie powierzchni próbek łukiem plazmowym przyczyniło się do uzyskania szerokiej modyfikacji warstwy wierzchniej, w zależności od użytych parametrów prądowo-napięciowych. Zastosowanie rejestracji i archiwizacji łuku w postaci cyfrowej w trakcie procesu przetapiania pozwoliło na dalszą jego analizę ze szczególnym uwzględnieniem jego wymiarów geometrycznych. W wyniku badań analitycznych otrzymano szereg danych opisujących geometrię stref powstałych w przetapianym materiale oraz łuk plazmowy. Dokonana korelacja otrzymanych wyników pozwoliła na ustalenie matematycznych zależności, co umożliwi w przyszłości prognozowanie efektów przetapiania biorąc pod uwagę jedynie planowane parametry łuku plazmowego. Korelacja pola powierzchni stref w obrabianym materiale, wraz z polem powierzchni łuku, jego szerokością wreszcie natężeniem łuku zostały opisane wielomianami o wysokim współczynniku korelacji około R 2 0,98. W dalszym etapie badań planuje się wyliczenie promienia krzywizny opisującego strefy (łezka, SWC) oraz powiązanie go z parametrami prądowo-napięciowymi łuku. LITERATURA [1] Krucznin A.M., Sawicki A.: Podstawy projektowania układów dynamicznych z łukiem elektrycznym. Wyd. PCz. Częstochowa, [2] Nitkiewicz Z.,: Wykorzystanie łukowych źródeł plazmy w inżynierii powierzchni. Wyd. PCz, Częstochowa, [3] Dudek A., Nitkiewicz Z., Stokłosa H.: Analiza kształtu łuku podczas procesu przetapiania. Inżynieria Materiałowa. 5,

8 [4] Burakowski T., Wierchoń T. Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa, 1995 [5] Dudek A., Nitkiewicz Z.: The structure properties of surface layers wich was obtained by alloying process, Acta Metallurgia Slovaca, 8, 2002, s [6] Wendler B.: Wytwarzanie pojedynczych i kompozytowych warstw węglikowych, węglikoazotków i azotków tytanu na podłożach stalowych metodą pośrednią. Obróbka Powierzchniowa, Częstochowa, 1992, s [7] Smolik J., Miernik K., Walkowicz J., Bujak J.: Eksploatacyjne własności powłok TiN, TiC i Ti(C,N). Obróbka powierzchniowa, Częstochowa, 1992, s [8] Singh Sidhu B., Puri D., Prakash S.: Mechanical and metallurgical properties of plasma sprayed and laser remelted Ni 20Cr and Stellite-6 coatings. Journal of Materials Processing Technology 159, 2005 [9] Cui H., Geng H., Tian X., Chen C., Zhao P.: Laser surface remelting and resolidifying process of Zn 27 wt.% Al alloy. Materials Science and Engineering A323, 2002 [10] Kusiński J.: Zmiany struktury i własności mechanicznych stali pod wpływem obróbki laserowej. Kraków, 1989 [11] Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Wyd. Naukowe Akapit, Kraków, 2000 [12] Ferenc K., Nita Z., Sobiś T.: Spawalnictwo, Warszawa, 1999 [13] Gourd L.M.: Podstawy technologii spawalniczych, WNT, 1997 THE ARC PLASMA SHAPE IN THE STRUCTURAL CHANGES ASPECT AFTER REMELTING PROCES SUMMARY In the article has been presented analysis method the weld during the surface remelting. The registration and analysis of the remelting arc was determined by software computer system. Geometry and stereology zones in the material were performed. It was found the mathematics correlation of the parameters in the material and the intensity plasma arc. Recenzował: prof. Zbigniew Konopka. 206