BADANIA STRUKTURY I MIKROTWARDOŚCI WARSTWY KONSTUTUOWANEJ LASEROWO NA STALI KONSTRUKCYJNEJ

Transkrypt

1 Sylwester KŁYSZ Instytut Technczny ojsk Lotnczych Anna BIEŃ Unwersytet armńsko-mazursk w Olsztyne PRACE NAUKOE ITL Zeszyt 3, s , 008 r. BADANIA STRUKTURY I MIKROTARDOŚCI ARSTY KONSTUTUOANEJ LASEROO NA STALI KONSTRUKCYJNEJ pracy przedstawono wynk badań makro- mkroskopowych struktury pomarów mkrotwardośc warstwy werzchnej próbek ze stal do ulepszana ceplnego 50H, poddanej laserowemu utwardzanu. Na podstawe badań rentgenowskch przeprowadzonych na dyfraktometrach DRON-4 Sefert XRD 3003 określono parametry sec krystalografcznej loścową zawartość poszczególnych faz. Słowa kluczowe: utwardzane laserowe, mkrotwardość, dyfrakcja promen rentgenowskch, parametry sec krystalografcznej, lnowy współczynnk absorpcj. 1. stęp ykorzystane wązk laserowej w różnych celach począwszy od znakowana, przez drążene otworów, cęce, spajane, hartowane, ablację, aż po wzbogacane warstwy przypowerzchnowej w składnk stopowe kulowane laserowe jest zagadnenem aktualnym szeroko rozwjanym w welu ośrodkach badawczych produkcyjnych. Zaletam obróbk laserowej są przede wszystkm: duża precyzja szybkość wykonywanych operacj, możlwość uzyskwana dużych gęstośc energ, dobra jakość powerzchn gładka czysta np. po cęcu, newymagająca dodatkowej obróbk wykańczającej. Możlwość obróbk różnorodnych gatunków, łatwość automatyzacj sterowana procesem jego ntegracj z nnym systemam technologcznym, a także ogranczony pozom hałasu sprawają, ż obróbkę laserową można zalczyć do ekonomcznych ergonomcznych. Obróbka laserowa jest obróbką punktową, dzęk czemu mnmalzuje sę deformacje mechanczne, sprowadzając je prawe wyłączne do strefy oddzaływana Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

2 38 Sylwester KŁYSZ, Anna BIEŃ termcznego. Możlwość zman czasu trwana mpulsu oraz gęstośc mocy promenowana laserowego w szerokm zakrese pozwala na podgrzewane materałów do odpowednch temperatur, przy których prowadzona jest dana obróbka laserowa. Specyfka welu operacj technologcznych dokonywanych za pomocą promenowana laserowego polega m.n. na tym, że welke lośc energ mogą zostać dostarczone do mkronowych obszarów materału w tak krótkm czase, że zmany w obszarze oddzaływana dokonują sę zanm cepło zostane przekazane do obszarów sąsednch dzęk temu obróbka laserowa może być stosowana do usuwana zaneczyszczeń materałów. Cenną zaletą obróbk laserowej jest równeż możlwość przeprowadzena z dużą dokładnoścą operacj bez konecznośc demontażu urządzeń np. strojene układów elektroncznych poprzez laserową korekcję opornośc lub pojemnośc elementów składowych tych układów. Zwększająca sę lczba publkacj na temat obróbk laserowej śwadczy, że problem technolog laserowych jest cągle otwarty. Nnejsze opracowane dotyczy laserowego utwardzana stal do ulepszana ceplnego analzy mkrostrukturalnej ukonstytuowanej warstwy werzchnej.. arunk przebeg badań Próbk do naśwetlana laserowego, w kształce walca o średncy 8 wysokośc mm, przygotowano ze stal 50H w stane normalzowanym, o strukturze perltyczno-ferrytycznej C-0,43, Mn-0,64, S-0,4, P-0,03, S-0,0, Cr-0,95, Cu-0,19, N-0,, Mo-0,07. Chropowatość powerzchn próbk, wyrażona parametrem Ra, wynosła 0,63 µm. Proces naśwetlana realzowano przy pomocy lasera molekularnego CO o mocy średnej 150 trybe pracy quas-cągłym. Charakterystyczną cechą lasera stosowanego do naśwetlana jest rozkład energ na przekroju wązk zblżony do stałego. Próbk przemeszczano względem wązk laserowej przy pomocy stolka nadającego próbce w jej os ruch obrotowo-przesuwny. Parametry obróbk laserowej były następujące: czas trwana mpulsu: t 600 ms okres T 1000 ms praca cągła, lub wypełnene okresu 60%, prędkość lnowa przesuwu wązk: v 1,6 mm/s obrotowa ω 30 mm/obr, odległość próbk od ognska wązk laserowej: L 40 mm, szerokość plamk laserowej: FL, przemeszczene wązk laserowej na jeden obrót próbk posuw: p 0,45 mm/obr wartość stała. Parametry obróbk laserowej pozwolły na klkakrotne naśwetlane tej samej powerzchn, ze względu na wększą szerokość plamk od welkośc posuwu. Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

3 Badana struktury mkrotwardośc 39 Poddana analze próbka po naśwetlanu laserowym została wstępne ocenona metodam makroskopowym. dok powerzchn próbk o metalcznym szarym połysku pokazano na fot. 1. Chropowatość powerzchn zwększyła sę do Ra 1,76 µm. Fot. 1. dok powerzchn próbk po naśwetlanu laserowym powększene dzesęcokrotne. doczne nakładające sę na sebe śceżk laserowe. Strzałka pokazuje szerokość śceżk laserowej Próbkę poddano dalszym badanom na wykonanym szlfe metalografcznym, na przekroju prostopadłym do os próbk wykonano pomary rozkładu mkrotwardośc. Do pomarów wykorzystano przystawkę Hannemana na mkroskope optycznym Neophot 3. ynk pomarów zlustrowano na rys. 1. Rys. 1. Rozkład mkrotwardośc na przekroju próbk walcowej, naśwetlonej wązką laserową Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

4 40 Sylwester KŁYSZ, Anna BIEŃ Interesująca w tym rozkładze jest wysoka mkrotwardość przy samej powerzchn, rzędu 1000 HV0,1 dość gwałtowny jej spadek do ok. 500 HV0,1 na głębokośc 0,05 mm, wzrost do ok. 700 HV0,1 przy 0,1 0,15 mm głębokośc. zakrese głębokośc 0,15 0,43 mm, mkrotwardość spada bardzo łagodne, zrównując sę na głębokośc rzędu 0,45 mm z mkrotwardoścą rdzena. Przeprowadzono równeż analzę mkroskopową mkrostruktury na powerzchn przekroju poprzecznego wzdłużnego próbk, po wytrawenu jej ntalem. Uzyskany obraz mkrostruktury przedstawono na fot.. a b c Fot.. d Mkrostruktura próbk: a b na przekroju poprzecznym; c, d na przekroju podłużnym fragmenty mkrostruktury na styku dwóch śceżek laserowych. Trawono ntalem Przy powerzchn próbk, do głębokośc rzędu 50 µm wdać dendryty o wyraźne zaznaczonym kerunku krystalzacj prostopadłym do powerzchn w kerunku odprowadzena cepła. Następne pojawa sę warstwa przejścowa granca pomędzy strefą przetoponą strefą, która uległa przemane w stane stałym. tym obszarze następuje spadek mkrotwardośc. Głębej, w obszarze lekkego wzrostu mkrotwardośc, wyraźne wdoczna jest struktura martenzytyczna. Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

5 Badana struktury mkrotwardośc 41 Badana rentgenowske przeprowadzono na dyfraktometrze DRON-4 z zastosowanem promenowana FeK o średnoważonej długośc fal λ Kśr 1,937 Å, w celu elmnacj promenowana K użyto fltr N. Pomary przeprowadzono z krokem pomarowym równym 0,01 stopna w skal kątów, natomast czas zlczana mpulsów w każdym położenu kątowym lcznka wynosł 10 s. Rentgenowską analzę fazową przeprowadzono porównawczo równeż na nnym urządzenu metodą dyfrakcj promen rentgenowskch przy użycu dyfraktometru Sefert XRD 3003 z graftowym monochromatorem na wązce ugętej. ykonano także zapsy dyfraktometryczne tab., stosując fltrowane promenowane lampy CoK o długośc fal spektralnej 0,1790 nm, przy warunkach pracy lampy 30kV/30mA. Czynnkem decydującym o wyborze promenowana był optymalny stosunek natężena ln dyfrakcyjnych do natężena tła dyfraktogramu, przy odpowednej głębokośc wnkana promen rentgenowskch w strukturę badanego materału ok. 0,05 mm dla zastosowanej lampy CoK, w kerunku prostopadłym do jej powerzchn. Rejestrację odległośc mędzypłaszczyznowych d przy określonym położenu kątowym przeprowadzono w oparcu o oprogramowane Sefert Analyse bazę danych DHN PDF. Uzyskane dyfraktogramy badanej stal poddanej obróbce laserowej przedstawono na rys. 3. Położene kątowe środków cężkośc poszczególnych refleksów tab. 1 ustalono za pomocą programu nft, opsując poszczególne krzywe dyfrakcyjne funkcją Pearson VII. Analza ntensywnośc oraz wzajemnych zależnośc kwadratów snusów kątów odbłysku poszczególnych refleksów wskazuje na występowane dwóch faz w badanym materale: regularnej tetragonalnej. Odczytane z dyfraktogramów wskaźnk Mllera podano w tab. 1. Tabela 1 Zestawene wskaźnków Mllera oraz położeń kątowych refleksów dyfrakcyjnych stal 50H poddanej obróbce laserowej Lp. Faza regularna Faza tetragonalna hkl hkl 1 111, , , , , , , , , , , , , Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

6 4 Sylwester KŁYSZ, Anna BIEŃ Rys.. Dyfraktogram stal 50H po obróbce laserowej. Promenowane FeK Rys. 3. Dyfraktogram stal 50H po obróbce laserowej. Promenowane CoK Parametry sec krystalografcznej wyznaczono w oparcu o model oblczenowy zaproponowany przez Cohena [1, 4], operający sę na metodze najmnejszych kwadratów, z uwzględnenem poprawek nanesonych w pracy [4]. Iloścowa zawartość poszczególnych faz jest odzwercedlona przez parametr J-Net. Szerokośc połówkowe odległośc mędzypłaszczyznowe wykorzystano do wyznaczena stałych secowych. Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

7 Badana struktury mkrotwardośc 43 Tabela Zapsy dyfraktometryczne, stosując fltrowane promenowane lampy CoK o długośc fal spektralnej 0,1790 nm; FHM szerokość połówkowa, J-Net natężene promenowana wyrażone poprzez pole powerzchn pod pkem danej fazy, szerokość kątowa, d odległośc mędzypłaszczyznowe Nr FHM J-Net d 1 0,4 8,79 1,1195 4, K 0,4 4,0 1,1659 4,8811 0,3668 8,19 34,8895, K 0,3668 4,14 34,9677, , ,63 41,1518, K 0, ,83 41,453, , ,06 4,0840, K 0,3031 8,61 4,1798, , ,81 48,9881, K 0,3785 4,7 49,1015, ,3694 1,95 50,1768, K 0,3694 5,18 50,933, , ,01 5,1758, K 0, ,06 5,977, ,8140 8,11 66,9910 1, K 0, ,0 67,1557 1, ,5363 1,58 71,854 1, K 0,5363 6,10 7,0346 1, , ,80 73,860 1, K 0,5981 7,1 74,0474 1, ,473 34,54 76,9976 1, K 0,473 17,93 77,1959 1, , ,18 99,4856 1, K 0, ,35 99,7799 1,171 Na baze danych z tabel 1 długośc fal zastosowanego promenowana λ 1,9378 Å, z zastosowanem programu Mat-Cad, oblczono stałe secowe obu faz: Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

8 44 Sylwester KŁYSZ, Anna BIEŃ a dla fazy regularnej: l k h + + l + 1 sn 1 sn ,347, ,156 sn 95 94, , sn a w sn sn A a 8,396 4 A a λ Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

9 Badana struktury mkrotwardośc 45 b dla fazy tetragonalnej: h + k l + 1 sn 1 sn ,419 7,96 sn , 451 5, sn , 4 65, sn Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

10 46 Sylwester KŁYSZ, Anna BIEŃ sn sn sn a sn sn sn c 6 10, ,89 a 10 1,815 c a A c C,867 4 A a λ,878 4 C c λ Fazą domnującą jest martenzyt o sec tetragonalnej objętoścowo centrowanej, parametrach sec a,867 Å, c,878 Å oraz symetr I4/mmm. Tetragonalność c/a fazy martenzytycznej odpowada zawartośc węgla w martenzyce równej 0,% [1, ]. Druga z faz posada seć regularną ścenne centrowaną o stałej sec a 8,396 Å. Duża wartość parametru secowego fazy regularnej wskazuje na powstane w warstwe obrobonej laserowo zwązku chemcznego o dużym stopnu uporządkowana, zaś uzyskana wartość stałej sec oraz barwa powstałej warstwy sugeruje powstane spnelu chromtu FeCr O 4 o 56 atomach przypadających na komórkę elementarną, którego schematyczne odwzorowane przedstawono na rys. 4. Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

11 Badana struktury mkrotwardośc 47 Informacje pozyskane metodą rentgenowską pochodzą z warstwy materału o głębokośc od µm. Jak wadomo, głębokość, na jaką wnkają promene Roentgena w badany materał, jest zależna od kąta odbłysku zgodna z równanem 1 [7, 8]: 3,45 sn t 1 µ gdze: kąt odbłysku; µ lnowy współczynnk absorpcj; t głębokość, na jaką promene Roentgena wnkają w badany materał. Rys. 4. Komórka elementarna spnelu chromtu FeCr O 4 grupa przestrzenna nr 7, symetra Fd-3m artość współczynnka absorpcj lnowej µ odpowadającą dla badanego materału ustalono wg równana, na podstawe znajomośc masowych współczynnków absorpcj µ/ρ, udzałów masowych u m oraz gęstośc ρ perwastków składowych badanej stal: µ µ ρ um ρ Dane wyjścowe do wyznaczena lnowego współczynnka absorpcj zestawono w tabel 3. Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

12 48 Sylwester KŁYSZ, Anna BIEŃ Dane do wyznaczena współczynnka absorpcj lnowej µ stal 50H Tabela 3 Perwastek µ/ρ [cm /g] ρ [g/cm 3 ] Fe 66,400 7,870 0,9765 C 0,008,70 0,0050 Mn 57,00 7,470 0,0065 S 117,000,38 0,005 Cr 463,000 7,170 0,0095 Na podstawe danych zawartych w tabel 3 oraz wzoru wartość µ badanej stal: µ 545,83 [cm -1 ]. Grafczne zależność zmany głębokośc absorpcj promenowana FeK od kąta można przedstawć jak na rys. 5. t u m Rys. 5. Głębokość wnkana promen Roentgena FeK 3. nosk Przeprowadzono naśwetlane stal 50H wązką laserową dokonano pomarów mkrotwardośc oraz analzy mkrostruktury ukonstytuowanej warstwy werzchnej. Charakterystyczny rozkład mkrotwardośc wskazuje na strukturę warstwy werzchnej z wzajemne przeplatającym sę obszaram o wyższej nskej twardośc. strefe przypowerzchnowej występuje struktura dendrytyczna. Na baze pomarów dyfraktometrycznych można stwerdzć w tej strefe występowane dwóch twardych struktur: martenzytu chromtu. Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM

13 Badana struktury mkrotwardośc 49 Przedstawone wynk badań sugerują, ż stal ne tylko można odpowedno utwardzć, lecz jednocześne wytworzyć warstewkę antykorozyjną. ynk badań wskazują, że tematyka pozostaje otwarta jednocześne stneje potrzeba przeprowadzana dalszych badań, m.n. w zakrese analzy odpornośc na korozję wytworzonej warstwy, jak równeż zbadana właścwośc wytrzymałoścowych elementów maszyn z wytworzoną warstwą werzchną. Należy zaznaczyć, ż wynk badań rentgenowskch pochodzące wyłączne ze strefy przypowerzchnowej dostarczają nformacj w zawężonym zakrese. Lteratura 1. Berger., Breczko T. n.: Laboratorum materałoznawstwa. ydawnctwo Poltechnk Bałostockej, Bałystok Breczko T., Lkchachev.: ybrane zagadnena z materałoznawstwa. ydawnctwo Unwersytetu armńsko-mazurskego, Olsztyn Dulej..: Laser Processng and Analyss of Materalls. Plenum Press, New York Jeleńkowsk J., esołowsk K.: Ćwczena z rentgenowskej analzy strukturalnej. PN, arszawa Kusńsk J.: Lasery ch zastosowane w nżyner materałowej. Kraków Polańsk Z.: Planowane dośwadczeń w technce. PN, arszawa Senczyk D.: Dyfraktometra rentgenowska w badanach stanów naprężena własnośc sprężystych materałów polkrystalcznych, ydawnctwo Poltechnk Poznańskej, Poznań Senczyk D.: Rentgenowske pomary tensora naprężena, ydawnctwo Poltechnk Poznańskej, Poznań Unauthentcated Download Date 5//15 7:33 AM