ANDRZEJ BYLICA, WOJCIECH BOCHNOWSKl**, ANDRZEJ DZIEDZIC** BADANIE PROCESÓW ODPUSZCZANIA STALI SZYBKOTNĄCYCH SW7M l SK5MC PRZETOPIONYCH LASEROWO

Transkrypt

1 Solidilication of Metais and Alloys, No31, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 31, 1997 PAN - Oddział Katowice; PL ISSN ANDRZEJ BYLICA, WOJCIECH BOCHNOWSKl**, ANDRZEJ DZIEDZIC** BADANIE PROCESÓW ODPUSZCZANIA STALI SZYBKOTNĄCYCH SW7M l SK5MC PRZETOPIONYCH LASEROWO W pracy przedstawiono wyniki badań struktury stali szybkotnących : SW7M i SK5MC przetopionych wiązką laserową a następnie dwukrotnie odpuszczanych w temperaturach: 560, C. W oparciu o wyniki badań dylatometrycznych i dane literaturowe przeprowadzono próbę określenia kinetyki przemian fazowych zachodzących w obszarze przetopionym podczas od puszczania. l. WPROW ADZENIE Stale szybkotnące są dominującym tworzywem stosowanym do wyrobu narzędzi skrawających, których szczególnie pożądaną cechąjest duża ciągliwość [ 4]. Struktura i własności stali kształtowane są w wielu zabiegach technologiemych podczas przeróbki plastycmej, obróbki cieplnej i cieplnochemicmej. Polepszenie własności eksploatacyjnych stali odbywa się na drodze optymalizacji składu chemicmego, wprowadzania nowych i doskonalenia konwencjonalnych zabiegów obróbki cieplnej. Jedną z nowych technologii obróbki cieplnej jest obróbka laserowa. W warstwie wierzchniej stali przetopionej wiązką laserową przemiany farowe zachodzą przy dużych prędkościach grzania i chłodzenia w obecności wysokich i zmierinych gradientów temperatur. Szybka krystalizacja powoduje powstanie silnie przesyconej struktury o zróżnicowanej morfologii i macmym rozdrobnieniu. W strefie przetopionej powstaje stan naprężeń wywołanych zmianą objętości materiału wskutek efektów cieplnych oraz zmianą objętości wywołaną przemianami farowymi [1,6]. Przetopiona warstwa charakteryzuje s1ę podwyższoną twardością, odpornością na sc1erame, odpornością na korozję. Skojarzenie laserowej i konwencjonalnej obróbki cieplnej poprzez odpowiedni dobór parametrów (gęstości energii wiązki lasera, czasu i temperatury odpuszczania) daje nowe możliwości poprawy własności użytkowych stali [7]. Przedmiotem badań w niniejszej pracy były zmiany struktury i mikrotwardości stali SW7M i SK5MC przetopionej wiązką laserową, a następnie odpuszczanej * prof. dr hab. inż. Andrzej Bylica- Instytut Techniki WSP w Rzeszowie ** mgr- Instytut Techniki WSP w Rzeszowie

2 14 Andrzej Bylica, Wojciech Bochnowski, Andrzej Dziedzic oraz określenie kinetyki przemian fazowych zachodzących w obszarze przetopionym podczas odpuszczania. 2. MA TERlAL I METODYKA BADAŃ Do badań wybrano dwa gatunki stali: SW7M - z grupy stali wolframowych, stosowanych na narzędzia do obróbki stali ferrytycznych i SK5MC -z grupy stali kobaltowych przeznaczonych do obróbki stali austenitycznych. Materiał do badań stanowiły próbki w stanie wyżarzonym o składzie chemicznym podanym w tablicy I. Kształt i wymiary próbek oraz sposób ich naświetlenia laserem przedstawia rys. I. Próbki przetopiono na przeciwległych powierzchniach wiązką laserową stosując gęstość mocy l,4x l O~/cm 2 (rys.!) Naświetlanie wykonano laserem technologicznym C0 2 o działaniu Photon Soures VF A 2500 w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki P AN w Warszawie. Skład chemiczny próbek ze stali SW7M i SK5MC [%] ciągłym firmy Tablica l. Stal c Mn S i p s Cr w V Mo Ni C u SK5MC SW7M l) U O.U l!. l6 Co 5.0 U.l!7 a) l.i\~er b) Rys. l. a) sposób naświetlania próbki laserem, b) ksztah i wymiary próhek do badań dylatometrycznych Badano próbki a) ze stali SW7M: - przetopione laserem a następnie dwukrotnie odpuszczane w temp 560 C w czasie 2 godz, - przetopione laserem a następnie dwukrotnie odpuszczane w temp 590 C: w czasie 2 godz.,

3 Badanie procesów odpuszcz. stali szybko/n Slł'7M i SK5MC przetop. laserowo 15 b) ze stali SK5MC: -przetopione laserem a następnie dwukrotnie odpuszczane w ternp.560 C w czasie 2 godz., -przetopione laserem a następrue dwukrotnie odpuszczane w temp.600 C w czasie 2 godz.. Stosowano szybkości: nagrzewania Vn=0,3 C/s, chłodzenia V c= l 0 C/s. Obserwacje zmian struktury oraz pomiary mikrotwardości przeprowadzono na zgładach prostbpadłych do powierzchni naświetlanej, przy użyciu SEM oraz mikrotwardościomierza Hannemana mph l 00. Pomiary wydłużenia w funkcji temperatury I=f(T) wykonano na dylatometrze bezwzględnym z zastosowaniem komputera. Punkty pomiarowe opisano wwlomianem f(1j=a1stu+. +a 1 T+a 0 wyznaczonym metodą Czebyszewa. Temperatury początku i końca przemian fazowych zachodzących w stali podczas odpuszczania określono na podstawie pochodnej f(t)=dl/dt 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Obróbka stali SW7M i SKS MC wiązką laserową z gęstością mocy l, 4x l 0 6 W/cm 2 prowadzi do przetopienia warstwy wierzchniej na głębokość max 0,6 mm. Bezpośrednio poniżej obszaru przetopionego powstaje strefa wpływu ciepła o szerokości ok. l f.ll11. Morfologia strefy przetopionej wykazuje znaczne zróżnicowanie od komórkowej (o średnicy komórek ok.8 f.ll11) na granicy strefy 1 materiału rodzimego do dendrytycznej (o wyraźnie zorientowanych kierunkach wzrostu dendrytów) przy powierzchni (rys.3,4). Przestrzeń międzydendrytyczną wypełnia eutektyka węglikowa, wewnątrz komórek i dendrytów obserwowano martenzyt o długości igieł nie przekraczającej średnicy komórki oraz martenzyt którego igły znajdowały się w obszarze kilku komórek (rys.5). Mikrotwardość strefy przetopienia była zróżnicowana i wynosiła : w stali SW7M 800- l 000 HV0,065 (rys.7), w stali SK5MC HV0,065 (rys 8). Strukturę strefy wpływu c1epła stanowi ferryt, węgliki stopowe oraz obszary powstałe wskutek lokalnego rozpuszczenia fazy węglikowej w osnowie. W miarę zmniejszania s1ę udziału obszarów lokalnie przetopionych oraz lokalnych nadtopień fazy węglikowej mikrotwardość tej strefy zmieniała się w granicach w staii SW7M HV0,065, w stali SK5MC HV0,065. Po dwukrotnym odpuszczaniu stali: SW7M w temperaturach 560 C, 590 i SK5MC w temperaturze 560 C typowa dla strefy przetopienia struktura komórkowo-dendrytyczna została zachowana (rys.6). W martenzycie nastąpiło wydzielenie drobnodyspersyjnych faz węglikowych co spowodowało wzrost twardości stali SW7M do ok.l HV0,065, a stali SK5MC do ok.l350 HV W trakcie pierwszego odpuszczania stali SKSMC w temperaturze 600 C na granicy dendrytów wydzieliły się sferoidalne węgliki o maksymalnej

4 16 Andrzej Bylica, Wojciech Bocluwwski, Andrzej Dziedzic średnicy ok. 4 /Lm, nastąpiło częściowe rozpuszczenie eutektyki węglikowej. Twardość strefy przetopionej wzrosła do ok HV0,065. Podczas drugiego odpuszczania w temp. 600ac nastąpił dalszy wzrost twardości do ok HV0,065. Rys. 2. Stal SW7M po wyżarzaniu Rys. 3. Struktura stali SW7M obrobionej wiązką laserową Rys. 4. Strefa przetopienia o budowie komórkowo-dendrytycznej. stal SW7M Rys. 5. Strefa przetopienia stali SK5MC. Widoczny jest odpuszczony martenzyt iglasty oraz austenit szczątkowy

5 Badanie procesów odpuszcz. stali szybkotn SWlM i SK5MC przetop. laserowo }7 Rys.6. Struktura strefy przetopieni a stali SKSMC po odpuszczaniu. a) 2 godz. IV temp.:raturzc 560 C, b) 2 godz. w temperaturze 600 C l 1600,><, Ci xj x x x "\--- 1: 1400 X X... ~~ ><.._ hartcmenie \ laseruae. ~. /, / ' \ / ,_ x..x./ \. ',... i q=1 ~4~d5 w;~ - ~ cxtuszczcnie 2xEE.:PC atuszczanie 2x5!i:PC e - \X X ~ ' stal WjŻC117.cna -,._. x..x_x... ' _ -. ~... ~.. a< :c 2< f: t< 2CJOL-----L-----~-----~~--~----~-----L--~~ 0, ,6 O,B crlegcść cx:l pc:m4erzcmi (mn] / Rys.7. Mikrotwardość stal i SW7M IV funkcj i odległości od powierzchni n aśw ietlonej lascn;m rodz<j ctrótl<i Rys.&. Mikrotwardość strefy przetopionej stali SKSMC

6 18 Andrzej Bylica, Wojciech Boc/mowski, Andrzej Dziedzic Podczas każdego odpuszczania rejestrowano wydłużenie próbek w funkcji temperatury. W oparciu o krzywą dl/dt określono charakterystyczne temperatury początku i końca przemian fazowych zachodzących w stali. Etap nagrzewania x1o temperatura C Rys. 9. Współczynnik rozszei7<1lnosci próbki ze stali SKSMC przetopionej wiązką laserową Na podstawie analizy literatury [4, 5 J oraz badań własnych przyjęto, że podczas nagrzewania obrobionej laserem stali do temperatury pierwszego odpuszczania zachodzą w niej następujące przemiany. W zakresie temperatury ( w stali SW7M i ( w stali SK5MC (rys. 9), z martenz)tu wydziela się węgiel i tworzy węglik s. Wraz ze wzrostem temperatury zachodzi dalsze wydzielanic węgla i tworzenic cementytu. W podanych wyżej zakresach temperaturowych nie zachodzi przemiana austenitu s zczątkowego,,. martenz)t ponieważ austenit szczątkowy jest trwały do temperatury ok. 500 C [4]. W przedziale temperatur ( następują procesy przechodzenia cementytu do osnowy z jednoczesnym wydzielaniem drobno-dyspersyjnych faz węglikowych w martenz)'cic. W stali SK5MC zakresie temperatur ( wydzielają się sferoidalne węgliki stopowe na granicach dendrytów (rys. 6). Podczas drugiego odpuszcz.:'lnia zachodzi przemtana martcnz)tu powstalego w czasie chłodzenia z temperatury pierwszego odpuszczania w martcnzyt odpuszczony.

7 Badanie procesów odpuszcz. stali szybkotn. SW7M i SK5MC przetop. laserowo 19 Etap wygrzewania 300 Stal SW7M E l odpusz czame 560 C - ~ " 250 c: " ł x10 3 Czas [s] Rys. 10. W ydłużenie próbki w funkcji czasu podczas l odpuszczania stali SW7M w temperatw7.e 560 C W czasie wygrzewania stali SW7M i SK5MC w temperaturach 560, 590, 600 C nie obserwowano zmiany wydłużenia próbek (rys 10) W stali zachodzi dyfuzja węgla z obszarów austenitu szczątkowego do martenzytu, zubożonego wskutek wydzielania się w nim drobnodyspersyjnych faz węglikowych. Etap chłodzenia "!! E :: ,3 "O Q) c: Q) ~ dl / ót 120 O, 1 -c 100 "' ' 0,0 ~ 80 w ydłużenoe (l) 60 w funk::ji temperatury (T) o / temperatura C Rysi!. Wyznaczanie temperatur M,' i Mr' dla stali SKSMC

8 20 Andrzej Bylica, Wojciech Bochnowski, Andrzej Dziedzic Rys. 12. Wynki badań dylatometrycznych (temperatury Ms' i Mr') podczas chłodzenia stali SK5MC odpuszcz.anej dwukrotnie w temperaturach 560 i 600 C l! Stal SK5M: l i ~ chbdzenia o 100 3CO te rrperatl..lra C Podczas chłodzenia w zakresie temperatur M,-Mr zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w rnartenzyt Podczas drugiego odpuszczania powstała część austenitu ulega przemianie w martenzyt w wyższych temperaturach M,' -Mr'. Wzrost temperatur początku i końca przemiany rnartenzytycznej powodowany jest wydłużeniem czasu kondycjonowania austenitu w etapie wygrzewania - następuje większe zubożenie austenitu szczątkowego w węgieł. Wartości M,' i Mr' dla każdego odpuszczania przedstawiono w tab.2. Tabela 2 Rys l l. Temperatury M; i Mr' dla stali SW7M i SK5MC odpuszczanej w czasie 2 godz. Stal Rodzaj obróbki Temperatura Temperatura Mikrotwardość M,' [ 0 Cl Mr' HV0,065 I odpuszczanie 560 C SW7M II odpuszczanie 560 C I odpuszczanie 590 C II odpuszczanie 590 C I odpuszczanie 560 C SKSMC II odpuszczanie 560 C I odpuszczanie 600 C II odpuszczanie 600 C

9 Badanie procesów odpuszcz. stali s:::ybkotn. SW7M i SK5MC przetop. laserowo PODSUMOW ANIE Obróbka stali SW7M i SK5MC wiązką laserową o gęstości mocy 1.4xl0 6 W/cm 2 powodt~je przetopienie powierzchni na głębokość O,ó mm Szybka krystalizacja prowadzi do różnej morfologii powierzchni (struktura dendrytycma) i dna przetopienia (struktura komórkowa) Mikrotwardość strefy przetopionej w stali SK5MC zmtema się w zakresie HV0,065, a w stali SW7M HV0,065 Odpuszczanie stali przetopionej laserem w temperaturach 560, (' powoduje wzrost twardości wskutek wydzielania faz węglikowych w martenzycie i na granicy dendrytów. Maksymalną twardość obszaru przetopienia ( 1400 HV0,065) zapewnia dwukrotne odpuszczanie w czasie 2 godz. stali SW7M w temperaturze 590 C, stali SK5MC w temperaturze 560 C. Wzrost temperatury i wydłużenie czasu odpuszczania przyczynia się do wzrostu temperatur M, i Mr przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt. Wzrost M, i M 1 spowodowany jest zmianą stosunku między udziałami austenitu szczątkowego i martenzytu. LITERATURA [l] Burakowski T, Wierzcheń T., Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa, [2] Bylica A., Adamiak S, Hartowanie laserowe stopów żelaza, V Sympozjum Techniki Laserowej, Świnoujście, [3] Czeranowski Z, Grzyś A, Badanie procesów odpuszczania stali szybkotnącej SK5MC po hartowaniu laserowym, WSP, Rzeszów, [4] Dobrz.ru1ski L., Hajduczek E., Marciniak J., Nowosielski R., Metaloznawstwo t obróbka cieplna materiałów narzędziowych, WNT, Warszawa, [5] Krawiarz J., Pacyna J, Paluszkiewicz T., Badanie wpływu składu chemicznego na strukturę i właściwości stali szybkotnących, Hutnik, nr 5 l, s.277, 1984 [6] Kusiński J, Zastosowanie promieniowania laserowego w technologit modyfikacji warstwy wierzchniej materiałów, VIII Krajowa Szkoła Optoelektroniki nt. Laserowe Technologie Obróbki Materiałów, Gdańsk, [7] Przetakiewicz W, Patejuk A., Napadlek W, Podwyższenie trwałości zaworów wylotowych silnika z wykorzystaniem stopowania laserowego, III Sympozjum nt. Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości materiałów, Krasiczyn, 1995.

10 22 Andr:ej Bylica, Wojciech Bochnowski. Andrzej Dziedzic Andrzej Bylica Wojciech Boclmowski Andrzej Dziedzic Thc tcsting o f Iempering processes o f the laser rcmelted SW7M and SKS MC high-specd steels Summary Results of the stmcture testings of the SW7M and SK5MC high-speed steels, remcltcd using laser and thcn twice tempercd using temperaturcs 560, 590 and 600 C, have been prcsented in this papcr.!\ definition test of the kinetics of phase changes, occuring in the remclting zone during. the tempering, has been carricd out on the stale of dilatomctric testings and a literature data.