ZMIANA WŁASNOŚCI STALI SZYBKOTNĄCEJ SKSM PO OBRÓBCE LASEROWEJ

Transkrypt

1 31/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN-Katowice, PL ISSN ZMIANA WŁASNOŚCI STALI SZYBKOTNĄCEJ SKSM PO OBRÓBCE LASEROWEJ Andrzej BYLICA, Wojciech BOCHNOWSKI Instytut Techniki, Wyższa Szkoła Pedagogiczna ul.rejtana 16 C, Rzeszów Laserowe nagrzewanie, przetopienie lub stopowanie powierzchni metali prowadzi do uformowania warstwy wierzchniej o pożądanych własnościach użytkowych. Poprzez dobór technologii obróbki laserowej można modyfikować warstwę wierzchnią w celu podwyższenia jej twardości, odporności na ścieranie, żaroodporności, odporności na korozję, trwałości zmęczeniowej stykowej a także rezystywności [l,2,3]. Prowadzone badania nad zastosowaniem przetapiania laserowego lub laserowego stopowania do umacniania narzędzi ze stali szybkotnących ukierunkowane są na określenie wpływu parametrów obróbki laserowej tj. :mocy lasera, szybkości skanowania, średnicy plamki na strukturę i własności konstytuowanej warstwy wierzchniej. Z danych literaturowych wynika że, przetopienie wiązką laserową stali szybkotnących prowadzi do powstania przesyconej, silnie rozdrobnionej struktury o dużej jednorodności pod względem chemicznym oraz podwyższonej twardości ok HV 0065 w odniesieniu do struktury formowanej metodami konwencjonalnymi. Szybka krystalizacja obszaru przetopionego laserem prowadzi do powstania nierównowagowych struktur o różnej morfologii \przy powierzchni i w pobliżu dna przetopienia. Na skutek zmian objętości wywołanych efektami cieplnymi, oraz będących wynikiem przemian fazowych, w strefie przekrystalizowanej oraz bezpośrednio pod nią w strefie wpływu ciepła powstaje stan napręże11 ściśle uzależniony od składu chemicznego stali, jej wstępnej obróbki cieplnej, parametrów obróbki laserowej i geometrii ścieżek umacniających powierzchnię[4].

2 286 Pomimo, że stale szybkotnące są przedmiotem wielu badań brak jest danych literaturowych opisujących zmianę udarności strefy przetopionej laserem, oraz danych opisujących stan naprężeń powstałych w warstwie wierzchniej stali umocnionej laserowo. Celem pracy jest zbadanie zmian strukturalnych, twardości, oraz określenie naprężeń własnych powstałych w wyniku laserowego przetopienia stali szybkotnącej SK5M. l. MATERIAL DO BADAŃ Przedmiotem badal'l była stal szybkotnąca SK5M stosowana na narzędzia skrawające przeznaczone do pracy w szczególnie ciężkich warunkach np.: do skrawania stali ulepszonych cieplnie, stali żaro i kwasoodpornych o strukturze austenitycznej jak i na narzędzia pracujące przy niedostatecznym chłodzeniu. Materiał badawczy stanowiły beleczki o wymiarach 4 x 4 x l 00 mm ze stali w stanie wyżarzonym przetopione na powierzchni laserem molekularnym C0 2 o działaniu ciągłym. Laserową obróbkę cieplną przeprowadzono w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie stosując laser typu VFA 2500 przy następujących parametrach naświetlania: moc lasera- 2 kw, prędkość skanowania- 0.6 m l min, średnica wiązki- 2,8 mm. Obróbkę prowadzono w osłonie argonu. W płaszczyźnie naświetlanej oraz w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni naświetlanej wykonano zgłady metalograficzne, które trawiono 5% Nitalem. 2.METODYKA BADAŃ Obserwacje zmian struktury prowadzono na mikroskopie optycznym - Neophot2 oraz skaningowym mikroskopie elektronowym - Tesla Bs340. Pomiary mikrotwardości wykonano na mikrotwardościomierzu Hanemanna stosując obciążenie 0,065 N. Obserwowano strukturę i mierzono mikrotwardość na zgładach prostopadłyc h do powierzchni naświetlanej laserem. Naprężenia własne osiowe występujące w belce określono metodą mechaniczną, mierząc odkształcenia wyrażone strzałką ugięcia f powstając e w wyniku usuwania kolejnych stref warstwy przetopionej laserem. Proces usuwania kolejnych warstw realizowano poprzez trawienie powierzchni naświetlanej, pozostałe powierzchnie belki zabezpieczono przed działaniem środka trawiącego, pokrywając je lakierem asfaltowym. Strzałkę ugięcia belki mierzono czujnikiem indukcyjnym MDK FI z dokładnością l J-lm. Odległość danej strefy od powierzchni naświetlanej określono przy założeniu liniowej zmiany masy próbki w procesie trawienia- przy stałej szerokości próbki ubytek masy określa rzeczywiste zmiany wysokości próbki. długości i

3 287 Określając naprężenia osiowe korzystano ze wzoru Stableina: X gdzie: h - początkowa wysokość próbki = 2 mm, K. - iloczyn stałej E= 2, II l 0 11 Pa i krzywizny kx mierzonej po usunięciu warstw do wysokości x, K - iloczyn stałej E materiału i jej krzywizny przed rozpoczęciem trawienia. Założono, że belka wygina się wzdłuż łuku koła, krzywiznę k liczono ze wzoru: gdzie : f- strzałka ugięcia belki, l- długość pomiarowa bełki. h dk Pochodną -- dx i całkę f K dx obliczono z wielomianu 8 - go stopnia, którym aproksymowano zależność 3. WYNIKI BADAŃ X K = f(x), gdzie x-wysokość belki podczas trawienia. W stanie wyjściowym badana stal SK5M posiadała strukturę ferrytyczną z drobnymi węglikami wtórnymi wewnątrz ziarn oraz nielicznymi grubymi węglikami pierwotnymi na ich granicach (rys.l ). Obróbka laserem z parametrami przyjętymi w pracy spowodowała przetopienie warstwy wierzchniej stali na głębokość max 0,6 mm.w warstwie przetopionej wyróżniono dwa obszary o różnej morfologii: strefę przekrystalizowaną oraz strefę wpływu ciepła. Struktura obszaru przetopionego miała różną budowę (zależnie od miejsca obserwacji), co było spowodowane lokalnymi szybkościami krzepnięcia.w strefie przekrystalizowanej obserwowano kryształy kolumnowe (rys.2) i komórki dendrytyczne krystalizujące zgodnie z kierunkiem odprowadzenia ciepła. Wewnętrzną strukturę tych kryształów stanowiły martenzyt i austenit szczątkowy (rys.3). W przestrzeniach międzydendrytycznych widoczna była faza węglikowa (głównie M 6 C) tworząca charakterystyczną jasną siatkę (rys.4). W strefie wpływu ciepła - na granicy dna przetopienia i materiału rodzimego

4 288 obserwowano nadtopienia na granicach ziaren, oraz częsc10wo rozpuszczone węgliki pierwotne. Nie obserwowano pęcherzy w strefie przetopienia co może świadczyć o lami-narnym przepływie metalu w jeziorku. Rys. l Stal SKSM w stanie wyżrzonym ferryt, węgliki pierwotne i wtórne Rys. 2 Stal SKSM strefa przetopiona laserem, kryształy kolumnowe i komórki dendrytyczne Rys. 3 Stal SKSM strefa przetopiona martenzyt i austenit szczątkowy wewnątrz kryształów Rys. 4 Stal SKSM strefa przetopiona jasna eutektyka z węglikami M 6 C na granicach kryształów Wyniki pomiarów mikrotwardości przedstawiono na rys.s. Rozkład mikrotwardości był zróżnicowany w poszczególnych strefach: przekrystalizowanej i wpływu ciepła. Zróżnicowane wartości mikrotwardości występowały również w samej strefie przekrystalizowanej (od ok.l HV0,065). Maksymalna

5 289 twardość średnia ( 1200 HV 0,065 ) występowała w obszarze przekrystalizowanym do głębokości 0,4 mm od powierzchni naświetlonej. Twardość osnowy zawierała =N~~i~-$=-i ao~~--~--~--~~~~---l--~--~~--~~ 0,0 Q,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 odlegloścod powierzchni naświetlanej laserem, mm Rys.5. Rozkład mikrotwardości stali SK5M w funkcji odległości od powierzchni naświetlanej Jaserem 300!.... l / i. l. l l J j : ~ ' ~.- '" -._1.. o' EO L----'---~---'---~--~ _.. ~---'-----' 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 odległość od polllierzchni przetopicrej la<>erem, rrm Rys.6. Naprężenia własne osiowe w warstwie wierzchniej po przetopieniu laserowym

6 290 się w granicach HV 0,065. Przy przejściu ze strefy przekrystalizowanej do strefy wpływu ciepła następował spadek mikrotwardości do ok. 800 HV 0,065. Rozkład naprężeń osiowych występujących w warstwie wierzchniej stali umocnionej laserem przedstawiono na rys. 6. W warstwie przetopionej laserem w odległości od O- 0,4 mm od powierzchni naświetlanej występowały naprężenia ściskające o wartościach od ok. 30 do 300 MPa. Największe naprężenia ściskające dochodzące do 300 MPa zalegały przy powierzchni przetopu. W pobliżu dna przetopienia oraz w strefie wpływu ciepła mierzono naprężenia własne ściskające jak i rozciągające. Wartość bezwzględna tych naprężeń nie przekraczała 50 MPa. Poziom naprężeń własnych w strefie przetopienia posiada odzwierciedlenie w rozkładzie mikrotwardości. Największa mikrotwardość (średnio 1200 HV 0,065) występuje w strefie, w której występują największe co do wartości naprężenia własne. 4. WNIOSKI bezwzględnej Laserowa obróbka stali SKSM z parametrami przyjętymi w pracy powoduje przetopienie warstwy wierzchniej na głębokość max. 0,6 mm. Powstała w wyniku przetopienia warstwa charakteryzuje się: znaczącym rozdrobnieniem struktury, zróżnicowaną morfologią zależną od lokalnych szybkości chłodzenia oraz podwyższoną twardością - ok. 1200HV0,065. Badania naprężei1 własnych w warstwie przetopionej laserem ujawniły występowanie naprężeń ściskających, których wartości zmieniały się od 300 MPa przy powierzchni przetopu do ok. 30 MPa w odległości 0,4 mm od powierzchni przetopionej. W pobliżu dna przetopienia oraz strefy wpływu ciepła UJawmono obecność naprężeń rozciągających o wartości ok.30 MPa. LITERATURA l. Patejuk A., Napadlek W.,Przetakiewicz W.: Wpływ stopowania laserowego i napawania metodą TlG na żaroodporność stali 50H21 G9N4.Krzepnięcie metali i stopów' 96, Zeszyt Przybyłowicz K., Depczyński W.,Konieczny M.: Wpływ gęstośc i mocy promieniowania laserowego na strukturę własności lanej stali szybkotnącej.inżynieria Materiałowa nr 5/ Major B., Ebner R. : Konstytuowanie warstwy wierzchniej tworzyw metalowych na drodze obróbki laserowej. Inżynieria Powierzchni nr 1/ Komorek Z., Bojar Z., Struktura i naprężenia własne w warstwie powierzchniowej odlewniczego stopu niklu po przetopieniu i stopowaniu laserowym. Krzepnięcie metali i stopów'96, Zeszyt Orłoś z. Naprężenia cieplne. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Kąc S., Kusiński J.:Struktura i własności laserowo przetapianej stali SW18 w stanie lanym. XXVI Szkoła Inżynierii Materiałowej Kraków L Zakopane 1998