36/29 Soljdjf'jc:;arioQ ofmdals llld AlJoys, No.36, 1998 Ku~ Metali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN- Oddział K.1towice PL ISSN

Transkrypt

1 36/29 Soljdjf'jc:;arioQ ofmdals llld AlJoys, No.36, 1998 Ku~ Metali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN- Oddział K.1towice PL ISSN OPTYMALIZACJA PROCESU LASEROWEJ I KONWENCJONALNEJ OBRÓBKI CIEPLNEJ STALI szybkotnącej SW7M BYLICA Andrzej, DZIEDZIC Andrzej Instytut Techniki Wyższej Szkoły Pedagogicmej w Rzeszowie Rzeszów, ul. Rejtana 16 A l. Mateńal i metodyka badań W pracy przedstawiono wyniki badań dyłatometrycznych, rentgenograficznych, metalograficznych i pomiarów mikrotwardości stali szybkotnącej SW7M przetopionej wiązką lasera C~. Próbki ze stali w stanie zahartowanym przetopiono łaserem i odpuszczano w temperaturach z zakresu C w C7.asie 2 godzin. Obróbkę laserową przeprowadzono w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie stosując dwa warianty obróbki laserowej: a) P1=2kW, v1=0,6m/min (prędkość skanowania), 41I=2,83mm (średnica wiązki), gęstości mocy Q1=3,2xl0 4 W/cm 2, b) P 2 =lkw, vr1,2m/min, +:i=2,83mrn, Qrl,6 x10~/cm 2. Badania dylatometryczne przeprowadzono na dylatometrze' bezwzględnym z cyfrową rejestracją temperatury i wydłużenia. Mikroanillizę rentgenowską (EDX) i rentgenowską analizę fazową (XRD) wykonano w Instytucie Inżyni erii Materiałowej P AN w Krakowie zgodnie ze standardem ISO 9002, EDX na mikroskopie skaningowym Philips XL30 z mikroanalizą rentgenograficzną natomiast XRD na dyfraktometrze rentgenowskim Phiłips PW1710 z programem APD (przy identyfikacji fazowej wykorzystano możliwo śc i programu APD w zakresie rozdzielania i dopasowania natomiast samą ident yfikację oparto o kartotekę JCPDS w pakiecie APD). Obserwacje struktury prowadzono na mikroskopie skaningowym Tesła BS-340 oraz transmisyjnym Philips CM-20. Pomiary twardości HV0,065 przeprowadzono przy użyciu mikrotwardościomierza Hanemanna Mph l 00. W oparciu o wyniki badań określono optymalne ze względu na twardość parametry obróbki laserowej i konwencjonalnej. 2. Badania struktury i twardoki Obróbka stali SW7M wiązką laserową z gęstością mocy, z zakresu l,6-3,2xl0.; W/cm 1 powoduje przetopienie warstwy wierzchniej na głębokość ok. 0,6-0,8 mm. Szybka krystalizacja prowadzi do różnej morfologii powierzchni strefy przetopienia; struktura dendrytyczna (rys.2a,2b,ja), dendrytyczno-komórkowa (rys.3b), komórkowa (rys.2a,2b,2c,2d,3c) oraz struktura dna przetopienia (rys.2e,2f;jd,je), w której widoczne jest rozpuszczanie fazy węglikowej w osnowie. Poniżej strefy przetopienia znajdowała się strefa wpływu c i epła, w której zachodziły procesy hartowania i odpuszczania laserowego. W oparciu o pomiary mikrotwardości strefę przetopienia podzielono na dwa obszary: pierwszy w odległości 0-250!-Lm od powierzchni naświetlonej laserem., drugi Lffi. Wyniki pomiarów mikrotwardości ujęto w tabeli l. Twardość strefy przetopienia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy Qrl,6 xl0~/cm 1 wahała się w przedziale HV0,065 natomiast obrobionej laserem z gęstością mocy Q 1 =3,2 xl0~/cm 1 wynosiła 1050-

2 HV0,065. Zastosowanie odpuszczania w ternpenturze z zakresu 5~590'C w czasie i godzin nie powoduje wzrostu twardości (rys.1a,1b). Badania z wykorzystaniem rentgenowskiej analizy fazowej ujawniły, że struktura stali SW7M po obróbce laserem z gęstością mocy 3,2 10" W/cm? składa się z martenzytycznej osnowy, austenitu szczątkowego oraz węglików MC, Mt;C oraz M?CJ (rys. S). W wyniku odpusżczania stali SW7M obrobionej laserem z~ mocy 3,2x10 4 W/cm 2 w czasie 2 godzin w zależności od temperatury odpuszczania zidemyfikowano następujące fazy: temperatura i krotność ndpnuępnie fm 1x530 C Fe,.. M,CJ. Mcie, M,<:, M23~ 1:x560 C Fe,.. Mt;C, M,C3, Fer lx590 C Fe...~, M?CJ 2x620 C Fe...~, M~ Tabela l. W fynl iki J)OI miaró w twardości HVO 065 stali SW7M 00! ~ 'O ł ~ 1100 ~mocy. Temp na ąmc2 Ua, Twardoić HV0,06S Ą~A 'AA Słał Wlc::m? OC O-lSOłma bez ,6x10" 1xS xS90 BS BS SW7M bez 10S SO 3,2x10" 1xS xS60 10S0-11SO xS a) 1300 r ]." ;;;..,;;;;.,;;;.;;.;.;;**;;-;;";-=;;;) Rys. l. Twardość HV0, IC'Io'W"""" strefy przetopienia stali ' '...;o'_w;.obri'.;..._,l SW7M w zależności nd i temperatury odpuszczania;...-r -r -L ; ~ a) w obszarze O ~ nd HXlO powierzchni naświetlonej _ _ _ _ _ _ I - _ _ laserem I..... l. I IDO !..... b) ~ IDO 700

3 225 A B c c) d) e) f) Rys.2. Zdjęcia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 1,6xl0 4 W/cm 2 wykonane na mikroskopie SEM; a) strefa przetopienia, A-obszar o budowie dendrytycznej, B komórkowej, C-dno przetopienia, b) przejście obszaru o budowie dendrytycznej w obszar o budowie komórkowej, c) obszar o budowie komórkowej, d) obszar o budowie komórkowej w powiększeniu, e) dno przetopienia, t) przejście dna przetopienia w strefę wpływu ciepła

4 226 c) d) e) f) Rys.3. Zdjęcia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 3,2xl0 4 W/cm 2 wykonane na mikroskopie SEM; a) strefa przetopienia - obszar o budowie dendrytycznej, b) strefa przetopienia - obszar o budowie dendrytyczno-komórkowej, c) obszar o budowie komórkowej, d) przejście obszaru o budowie komórkowej w dno przetopienia, e) dno przetopienia, f) materiał wyjściowy

5 227 a) b) c) d) e) f) Rys.4. Zdjęcia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 3,2x10 4 W/cm 2 wykonane na mikroskopie TEM (obrazy w ciemnym polu); a) strefa przetopienia, b) węglik M6C, c) dyfraktogram węglika ~C, d) tlenek W, Si, e) dyfraktogram tlenku W, Si, t) tlenek S i, Fe, W W stali jak wykazała analiza z użyciem TEM oprócz węglików M6C (rys.4a,4b,4c), M1C 3, MC, M 2 C, M2JC6 (rys.5) znajdują się również tlenki W, Si (rys.4d,4e) oraz Si, Fe, W (rys.4f).

6 228 a) b) ferryt Fca austenit Fe., 100 r r------~ ~-, ' 4 austenit Fe" ; " : ' : ~u' l ~m ~ ; : \ o :2' ' ' : :._..._IIIIW...,_,.. 4i'-0 4.:..:5::.....:;50:.::_T---"'55'-----" :6:::;0 -"'65::.. :7..:;0.:..;75::.._; 100 ;B:;O :\ ri l:\ ;l' 2H Rys.5 Dyfraktogramy doświadczalne stali SW7M obrobionej Jaserem z gęstością mocy 3,2xl0 4 W/cm 2 ; sta!: a) nie odpuszczana, b) odpuszczona lx530 C, c) odpuszczona lx560 C, d) odpuszczona lx590 C, e) odpuszczona 2x620 C c) d) ss :ao ao :;:.. :.! l ~ :\ e) ' ' 80 :2.

7 229 Zawartość pierwiastków we wnętrzu komórek i w węgliku ~C w strefie przetopienia określoną za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej przedstawiono w tabeli 2,3. Tabela 2. Zawartość pierwiastków we wnętrzu komórek strefy przetopienia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 3,2x10 4 W/cm 2 Pierwiastki Fe w Mo Cr V Wagowa zawaność pierwiastków % ,71 5,32 S 55 l 57 Atomowa zawartość pierwiastków % ,51 3,26 6,27 l 81 Tabela 3. Zawartość pierwiastków w węgliku M6C, w strefie przetopienia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 3,2xl0 4 W/cm 2 Pierwiastki Fe w Mo Cr V Waeowa zawartość pierwiastków, % 36,68 31,04 25,17 3,66 3,45 Atomowa zawartość pierwiastków, % 53,57 13,77 21,4 5,74 5,52 3. Badania dylatometryczne Podczas nagrzewania stali obrobionej laserem z gęstością mocy 1,6xl0 4 W/cm 2 lub 3,2x l 0 4 W /cm 2 do temperatury pierwszego odpuszczania zachodzą w niej następujące przemiany (rys.6). dudt o. 0,34 0,32 0,3 34l C 0, C 0,26 0,24 397"C temperatura~c Rys.6. Pochodna dl/dt przykładow~ krzywej nagrzewania stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 1,6xl0 Wicm 2 do temperatury odpuszczania 590 C W zakresie temperatur od , następuje dyfuzja węgla w obszarach martenzytu i tworzenie węglika E (M2, 4 C). Do temperatury C następuje wzrost objętości materiału. W zakresie temperatur następuje spadek objętości materiału spowodowany zmianą tetragonalności martenzytu. W zakresie temperatur nastąpuje wzrost objętości próbki wywołany wydzieleniem faz węglikowych M2C, M7CJ. Dalszy wzrost temperatury powyżej temperatury powoduje przechodzenie fazy M1C do osnowy z jednoczesnym powstawaniem węglików M 23 C 6, ~C.

8 230 ~~r i!150 1(10 C:Z.. o L-~~~~~~~--~~~~~~~ o ~ 500 licio Ttmperan, "c Rys.7. Wydłużenie w funkcji czasu l=f{t) dla stali SW7M wygrzewanej w temperaturze 590 C Rys.8. Wykres dylatometryczny l=f{t) z zaznaczonym punktem Ms' oraz Mr' dla stali SW7M chłodzonej z temperatury 590 C (szybkość chłodzenia l, l C/s) W etapie wygrzewania w temperaturze odpuszczania obserwowano wydłużenie próbki (rys.7). Charakterystyczne temperatury M,' i Mr' określono na podstawie krzywych chłodzenia (rys. S) stali z temperatur: 530, 560, 590 a wyniki zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Temperatury przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt gęstość mocy, Temperatura kolejne Temperatura Temperatura wydłużc- Stal W/cm 2 odpuszczania, C odpuszczanie M" "c Mr, C nie~ l 139 * ,6xl * l SW7M * l 135 * l ,2xl () l 298 * me określono Na wartości temperatur początku i końca przemian fazowych zachodzących w stali podczas nagrzewania ma wpływ różna morfologia obszaru zahartowanego konwencjonalnie i obrobionego laserem oraz występująca segregacja pasmowa węglików. Wzrost temperatury i wydłużenie czasu odpuszczania przyczynia się do wzrostu temperatur M,' i Mr' przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt. Wzrost M,' i Mr' spowodowany jest zmianą stosunku między udziałami austenitu szczątkowego i marterizytu.

9 4. Podsumowanie Strefa przetopienia stali SW7M po obróbce laserem z gęstością mocy 1,6xl0 4 W/cm 2 posiada twardość l 000- l 200 HV0,065 a jej strukturę stanowi martenzyt i austenit szczątkowy oraz węgliki. Strefa przetopienia stali SW7M po obróbce laserem z gęstością mocy 3,2x10 4 W/cm 2 posiada twardość HV0,065 i strukturę strefy stanowi martenzyt i austenit szczątkowy oraz w ęgliki zakresu: d'c w czasie 2 godzin nie powoduje dalszego wzrostu twardości _ LITERATURA 231 MC, M6C, M7CJ. Przeprowadzenie odpuszczania w temperaturze z (1] Burakowski T., Wier zehań T., inżynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa, [2) Bylica A., Bochnowski W., Dziedzic A., Badanie procesów odpuszczania stali SK5MC SW7M po hartowaniu laserowym, Krzepnięcie metali i stopów, PAN, nr 29, [3) Dobrzański L., Hajduczek E., Marciniak J., Nowosielski R., Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych, WNT, Warszawa, [4] Kusiński J., Zastosowanie promieniowania laserowego w technologii modyfikacji warstwy wierzchniej mateńałów, VIII Krajowa Szkoła Optoelektroniki nt. Laserowe Technologie Obróbki Materiałów, Gdańsk, [5] Major B., Elber R., Konstytuowanie warstwy wierzchniej twor.zyw metalowych na drodze obróbki laserowej, IP, nr l, [7] III Sympozjum nt. Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości materiałów, Red. A.Bylica, Krasiczyn, Praca została wykonana w ramach projektu badawczego zleconego przez Komitet Badań Naukowych nr 7T08B03910 pt." Optymalizacja laserowej obróbki stali szybkotnących".