WŁAŚCIWOŚCI ŻELIWA SZAREGO NADTOPIONEGO WĄZKĄ LASEROWĄ. S. ADAMIAK 1 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski Rzeszów, ul.

Transkrypt

1 114/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WŁAŚCIWOŚCI ŻELIWA SZAREGO NADTOPIONEGO WĄZKĄ LASEROWĄ S. ADAMIAK 1 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski Rzeszów, ul. Rejtana 16a STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu obróbki laserowej na strukturę i mikrotwardość niestopowego żeliwa szarego. Przedstawiono procesy zachodzące podczas krystalizacji żeliwa po laserowym przetopieniu oraz ich wpływ na strukturę warstwy wierzchniej. Uzyskano znaczny wzrost mikrotwardości w warstwie nadtopionej jak i strefie wpływu ciepła. Key words: laser hardening, laser remelted, grey cast iron, martensite, residual austenite, ledeburite, microhardness 1. WSTĘP Zastosowanie skoncentrowanego strumienia ciepła do nadtopienia warstwy wierzchniej materiału jest szeroko stosowane do obróbki konstrukcyjnych stali nisko- i średniowęglowych, stali łożyskowych, narzędziowych oraz konstrukcyjnych stali nierdzewnych. Nadtopienie warstwy wierzchniej materiału i szybka krystalizacja sprzyja powstawaniu roztworów znacznie przesyconych i o dużym rozdrobnieniu. Przyjmuje się, że struktura stali nadtopiona laserowo i zahartowana jest bardziej jednorodna chemicznie i strukturalnie, wykazuje większą udarność, korzystny rozkład naprężeń własnych, wytrzymałość zmęczeniową oraz wzrost twardości [1,2]. Zastosowanie skoncentrowanego strumienia ciepła do poprawy właściwości użytkowych a w szczególności odporności na zużycie ścierne jest szczególnie ważne w przypadku odlewów z żeliwa [3-7]. W wyniku szybkiej krystalizacji obszarów nadto- 1 Dr Stanisław Adamiak, sadamiak@univ.rzeszow.pl 189

2 pionych skoncentrowanym strumieniem ciepła kształtuje się w nich struktura eutektyki cementytowej. W efekcie dalszego szybkiego chłodzenie stopu do temperatury otoczenia w eutektyce dokonuje się częściowa przemiana austenitu w produkty hartowania prowadząc do poprawy właściwości eksploatacyjnych materiału [3-5]. W pracy przeanalizowano wpływ laserowego nadtopienia warstwy wierzchniej odlewów z żeliwa szarego na zmiany struktury i mikrotwardości. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badania zostały przeprowadzone na próbkach z żeliwa szarego o osnowie perlityczno - ferrytycznej. Obróbkę laserową wykonano w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie laserem o pracy ciągłej CO 2 Photon Seures typ VFA Parametry obróbki laserowej wynosiły: moc lasera P = 2 kw, prędkość przesuwu wiązki lasera v = 0,01 m/s, czas oddziaływania wiązki laserowej na materiał t = 0,28 s, gęstość mocy lasera Q = 32 kw/cm 2. Badanie metalograficzne przeprowadzono na mikroskopie optycznym Neophot 2 oraz elektronowym mikroskopie skaningowym Tesla BS 340. Pomiary mikrotwardości wykonano mikrotwardościomierzem Hanemanna, na przekroju poprzecznym do powierzchni naświetlonej laserem stosując parametry: obciążenie wgłębnika 0,63 N, czas obciążenia 10 s. 3. BADANIA WŁASNE Laserowe nadtopienie warstwy wierzchniej odlewu z żeliwa szarego prowadzi do istotnych zmian struktury i właściwości. Struktura kształtująca się podczas szybkiej krystalizacji uwarunkowana jest występowaniem w żeliwie faz i składników strukturalnych o różnej zawartości węgla (od ferrytu do grafitu) a tym samym o różnej temperaturze ich topnienia. Lecz w każdym przypadku realizowanej obróbki laserowej efektem nadtopienia było zabielenia warstwy wierzchniej żeliwa na głębokość 0,3 mm. Głębokość warstwy umocnionej (strefa nadtopienia + wpływu ciepła) wynosiła od 0,5 do 0,6 mm. W strefie nadtopionej występowała struktura komórkowa i komórkowo - dendrytyczna odpowiadająca składowi podeutektycznemu. W strukturze występował austenit szczątkowy i martenzyt, w przestrzeniach międzydendrytycznych obserwowano ledeburyt przemieniony (rys. 1a, b). Intensywny ruch cieczy w nadtopionym jeziorku materiału sugeruje, że warstwa nadtopiona powinna posiadać strukturę o dużej jednorodności chemicznej i strukturalnej. Niestety obserwowano obszary o strukturze odpowiadającej składowi eutektycznemu i nadeutektycznemu (rys. 2) zbudowaną z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego. Sugeruje to o znacznych różnicach w zawartości węgla. Niejednorodność struktury zwiększa się przy dnie nadtopienia. 190

3 a) b) Rys. 1. Żeliwo szare. Strefa przetopiona. Struktura: martenzyt płytkowy, austenit szczątkowy, eutektyka Fig. 1. Grey cast iron. Remelted zone. Structure: plate martensite, residual austenite, ledeburite Rys. 2. Żeliwo szare. Strefa przetopiona. Struktura: eutektyka cementytowa Fig. 2. Grey cast iron. Remelted zone. Structure: ledeburite, cementite Z powodu znacznej zawartości węgla duża ilość austenitu w strukturze pozostawała nieprzemieniona (rys. 1b). Obserwacje te są zgodne z wynikami pracy [8], gdzie zaobserwowano w warstwie wierzchniej żeliwa nadtopionego laserowo występowanie od 65 do 70 % austenitu oraz % cementytu, resztę stanowił martenzyt. Ponadto na dnie strefy nadtopienia obserwowano cząstki nie całkowicie rozpuszczonego grafitu (rys.3). Wokół grafitu występowała struktura eutektyczna. Udział austenitu szczątkowego w strukturze wyraźnie zwiększał się na granicy nadtopienia. było to przyczyną znacznego obniżenia twardości tych obszarów w stosunku do warstw położonych przy powierzchni nadtopienia jak i w strefie wpływu ciepła (zahartowanych z zakresu temperatur Ac 1 <T<T top ). 191

4 a) b Rys. 3. Żeliwo szare. Strefa przetopiona. Struktura: martenzyt płytkowy, austenit szczątkowy, eutektyka, grafit Fig. 3. Grey cast iron. Remelted zone. Structure: plate martensite, residual austenite, ledeburite, graphite Znaczne różnice w składzie chemicznym pomiędzy poszczególnymi fazami w żeliwie a tym samym różna temperatura ich topnienia powoduje powstanie bardzo rozwiniętej linii dna nadtopienia (rys. 4a). W strefie wpływu ciepła w strukturze żeliwa występował martenzyt, austenit szczątkowy oraz grafit. W obszarach położonych w pobliżu materiału rodzimego obserwowano wydzielenia bainitu. Wokół grafitu obserwowano lokalne nadtopienie materiału (rys. 4b). Nadtopienie tych obszarów było wynikiem niższej temperatury ich topnienia, co świadczyło o tym, że ich skład chemiczny był przesunięty w kierunku składu odpowiadającego punktowi eutektycznemu. a) b Rys. 4. Żeliwo szare. Struktura: martenzyt, eutektyka, grafit, a) granica strefy nadtopionej, b) strefa wpływu ciepła Fig. 4. Grey cast iron. Structure: martensite, residual austenite, eutectic, graphite, a) bottom remelted zone, b) influence of heat zone 192

5 Zmiany strukturalne podczas krystalizacji i późniejszego chłodzenia do temperatury otoczenia miały istotny wpływ na twardość warstwy wierzchniej (rys. 5). Przy założonych parametrach obróbki największą twardość uzyskano w strefie nadtopienia laserowego i wynosiła ona do 820 HV0,065. Na dnie nadtopienia następował znaczny spadek mikrotwardości do poziomu HV0,065. Mikrotwardość strefy wpływu ciepła wynosiła 630 HV0, Mikrotardość, HV0, Odległość od powierzchni, µm Rys. 5. Wpływ obróbki laserowej na mikrotwardość żeliwa szarego Fig. 5. The effect of treatment laser on the microhardness of grey cast iron 4. PODSUMOWANIE W strefie nadtopionej odlewu z żeliwa szarego stwierdzono obecność eutektyki cementytowej austenitu szczątkowego i martenzytu płytkowego. Udział eutektyki cementytowej w strukturze zwiększał się ze wzrostem odległości w kierunku od dna nadtopienia do powierzchni nagrzewanej, co może świadczyć o różnicach w zawartości węgla lub różnej szybkości chłodzenia. Na dnie nadtopienia obserwowano nierozpuszczony grafit. W strefie wpływu ciepła występował martenzyt, eutektyka oraz grafit. 193

6 W wyniku laserowej obróbki żeliwa szarego uzyskano 3-4 krotny wzrost mikrotwardości. Nieznaczny spadek mikrotwardości spowodowany występowaniem dużej ilości austenitu szczątkowego stwierdzono na dnie nadtopienia. LITERATURA [1] T.Burakowski, T.Wierzchoń: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa, [2] J. Kusiński: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Wyd. Naukowe "Akapit", Kraków, [3] A. W. Orłowicz, A. Trytek: Structural and operating aspects of rapid solidification of surface layer of spheroidal graphite of iron castings. International Jurnal of Cast Metals Research, vol. 16, nr 5, [4] A. W. Orłowicz, A. Trytek: Effect of rapid solidification on sliding wear of iron castings. WEAR 9258, [5] A. W. Orłowicz, A. Trytek: Zastosowanie metody GTAW do utwardzania powierzchniowego odlewów żeliwnych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 5, [6] A. Bylica, S. Adamiak: Hartowanie laserowe żeliwa. Sympozjum nt. Optymalizacja Systemów Produkcyjnych Krystalizacja Wytwarzanie, Łódź-Rogów, [7] A. Klimpel, J. Kobic, D.Janicki, M.Burdek, Z.Marczak: Przetapianie laserowe warstwy wierzchniej walców z żeliwa sferoidalnego stopowego. Inżynieria Materiałowa, nr 2, [8] W.W. Girzon, D.J. Anpilogow: Termiczeskaja obrabotka z primienieniem wysokokoncentrirowanych istocznikow energii. Mietałłowiedienije i Termiczeskaja Obrabotka, Nr. 4, PROPERTIES OF GREY CAST IRON REMELTED OF LASER SUMMARY This work present results microstructure and properties of grey cast iron after laser treatment examined. Introduced process crystallization of grey cast iron after laser remelting. Remelting zone of gray cast iron consist of cells and dendritic cells. received increase microhardness of consolidation area by laser. Recenzował: Prof. Wiktor Prochorenko 194