27/36 BADANIE PROCESÓW ODPUSZCZANIA STALI SW7.M PO HARTOWANIU LASEROWYM

Transkrypt

1 27/36 Solidificatin o f Metais and Alloys,no Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 P AN - Oddział Katowice PL ISSN BADANIE PROCESÓW ODPUSZCZANIA STALI SW7.M PO HARTOWANIU LASEROWYM BYLICA Andrzej. DZIEDZIC Andrzej Instytut Techniki. Wyższa Szkoła Pedagogiczna Rzeszów. ui.rejtana 16 A W pracy przedstawiono wyniki badań metalograficznych, dylatometrycznych oraz pomiarów mikrotwardości stali SW7M obrobionej laserem C0 2 a następnie odpuszczonej. Obróbkę laserową przeprowad7.ono dwoma gę stościami mocy: Wlcm2 oraz 1,4 106 W/c.m2 Proces odpuszczamapo obróbce laserowej przeprowadzano w temperaturze 560 Oc lub 590 De. Wstęp Zapotrzebowanie na nowe bardziej wytrzymałe i trwalsze narzędzia spowodowało, że zaczęto poszukiwać nowych sposobów obróbki cieplnej. Jednym ze sposobów otrzymywania struktur bardziej przesyconych o większym niż w obróbce konwencjonalnej rozdrobnieniu ziarna, które powstają w wyniku działania na materiał dużych energii w krótkim czasie jest obróbka laserowa. ponadto niski koszt. możliwość pełnej automatyzacji oraz wysoka dokładność przyczyniły się do wykorzystywania laserów do celów przemysłowych. Stosując laser uzyskujemy twardą. odporną na ścieranie warstwę wierzchnią przy zachowaniu ciągliwości rdzenia. W przypadku laserów do pracy ciągłej gęstość mocy i czas oddziaływania promieniowania laserowego na materiał ma decydujący wpływ na grubość i strukturę warstwy wierzchniej stali. Zmniejszenie szybkości skanowania wiązką promieniowania laserowego prowadzi do zwiększenia objętości przetopionego metalu. co sprawia. że jego chłodzenie jest znacznie wolniejsze a to sprzyja tworzeniu segregacji węgla, pierwiastków stopowych i wydzielaniu grubej siatki węglików. W przypadku stali szybkotnących po hartowaniu laserowym korzystne jest przeprowadzenie odpuszczania. które powoduje zwiększenie twardości oraz pozwala zmniejszyć wartość naprężeń hartowniczych. Podczas odpuszczania stali szybkotnącyc h zachodzą głównie procesy wydzielania węglików stopowych w martenzycie oraz przemiana austenitu szczątkowego w fazę a. Celem pracy jest otrzymanie twardej. odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej stali szybkotnącej SW7M przez odpowiednie połączenie obróbki laserowej z odpuszczaniem oraz określenie przemian jakie zachodzą podczas tej obróbki.

2 266 Materiał i warunki obróbki Materiał do badań stanowiły próbki ze stali SW7M w stanie wyżarzonym (o składzie chemicznym podanym w tabeli 1). Kształt i wymiary próbek oraz sposób ich naświetlenia laserem przedstawia rys. l. Tabela l. Skład chemiczny próbek ze stali SW7M [%] a) LASER b) Rys. l. Próbka ze stali SW7M, a) sposób naświetlania próbki laserem, b) ksztah i wymiary próbek do badań dylatometrycznych Obróbkę laserową przeprowadzono przy użyciu lasera C02 o działaniu ciągłym w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. W celu zwiększenia absorpcji promieniowania stal pokryto koloidalnym roztworem grafitu. Próbki naświetlono dwiema gęstościami mocy: W/cm2 i 1,4 lo6 W/cm2 a następnie dwukrotnie odpuszczano przez okres l 00 min. w temperaturze 560 C lub 590 C. Metody badań Badania dylatometryczne przeprowadzono na dylatometrze bezwzględnym z zastosowaniem komputera przy użyciu programu RW_PIEC. Pomiarów m ikrotwardości dokonano na zgładach w płaszczyźnie pro stopadłej do powierzchni naświetlonej laserem, przy użyciu twardościomierza Hanemanna oraz mikroskopu Neophot 2, obciążenie wgłębnika 0,65 N, czas obciążenia 5 s. Badania metalograficzne przeprowadzono na elektronowym mikroskopie skaningowym Tesla BS-340.

3 267 Analiza badań Na podstawie badań metalograficznych w próbce ze stali SW7M obrobionej laserem co2 z gęstością mocy os w /cm2 wyróżniono obszar zmian strukturalnych o głębokości ok. 0,6 mm, w którym można wyróżnić dwie strefy: - st refę przetopienia (o szerokości ok.0,4 mm), - strefę wpływu ciepła. Strefa przetopienia składała się z dwóch obszarów. Przy powierzchni obszaru o budowie komórkowo-dendrytycznej (rys 3A,4) o zorientowanych kierunkach wzrostu oraz nieco niżej obszaru o budowie komórkowej (rys.3b). Wewnętrzną strukturę komórek stanowił martenzyt oraz austenit szczątkowy. Przestrzeń między komórkami wypełniała eutektyka węglikowa. W strefie wpływu ciepła widoczne jest rozpuszczanie się fazy węglikowej w osnowie (rys.3c). W próbce obrobionej laserem z gęstością mocy 1,4 106 W/cm2 wyróżniono obszar zmian strukturalnych o głębokości ok. O, 7-0,8 mm, o podobnej budowie jak w przypadku stali obrobionej mniejszą gęstością mocy przy czym w strefie przetopienia udział eutektyki węglikowej był większy. Po odpuszczaniu nastąpiło częściowe rozpuszczenie eutektyki węglikowej oraz wydzielenie węglików stopowych (rys.s) A B c Rys.2 Stal SW7M po wyżarzaniu. Struktura ferrytyczna z dużą ilością węglików pierwotnych i wtórnych Rys.3. Zdjęcie struktury próbki ze stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy W/cm2 A-strefa przetopienia o budowie komórkowodendrytycznej B-strefa przetopienia o budowie komórkowej C-strefa wpływu ciepła

4 268 Rys.4. Strefa przetopienia o budowie komórkowo-dendrytycznej Rys.5. Struktura strefy przetopienia stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 0,6 105 W/cm2 oraz dwukrotnie odpuszczonej w temperaturze 560 C Pomiary mikrotwardości wykazały, że twardość stali obrobionej laserem z gęstością mocy W/cm2 jest większa od twardości stali obrobionej laserem z gęstością mocy l,4 106 W/cm2 (rys.6). Po odpuszczaniu największy przyrost twardości (ok HV0,065) i największą twardość (ok 1520 HV0,065) posiadała próbka obrobiona laserem z gęstością mocy 1,4 106 W/cm 2 oraz dwukrotnie odpuszczana w temperaturze 590 "C przez okres 100 min. Ten przyrost twardości spowodowany był większą ilością rozpuszczonych węglików podczas nagrzewania stali laserem z gęstością mocy 1,4 106 W/cm2 co wpłynęło na wzbogacenie roztworu w pierwiastki stopowe a tym samym przyczyniło się do zwiększenia efektu twardości wtórnej w wyniku utwardzania wydzieleniowego podczas odpuszczania. Po przeprowadzeniu badań dylatometrycznych można sformułować następujące wnioski: a) stal obrobiona laserem z gęstością mocy W/cm2 podczas nagrzewania do temperatury pierwszego odpuszczania (rys. 7, krzywa A) posiada większy współczyrmik rozszerzalności cieplnej niż stal nagrzewana do temperatury drugiego odpuszczania (rys. 7, krzywa B) - co świadczy o obecności austenitu szczątkowego podczas pierwszego odpuszczania (austenit posiada większy od martenzytu współczynnik rozszerzalności cieplnej), b) na podstawie analizy literatury oraz badań własnych podczas nagrzewania stali obrobionej laserem z gęstością mocy O. 6 1 os W /cm2 do temperatury pierwszego odpuszczania zachodzą w niej następujące przemiany. W zakresie temperatury C wydziela się z martenzytu węgiel i tworzy węglik E. W temperaturze C zachodzi dalsze wydzielanie węgla i tworzenie cementytu.

5 moo~~-q~2~~~q4--~ ~--~~ole~--,~o~--,~2~--j\4 BD odległość od """"arrllni [mm] 5 4 BD ~. 4D " "./' ~~~~'ł.mh~ooo moo.~~~o~2~~q~4 ~~qs~~~qe~~,~o~--,l2~~,l4_j odległość od """"ern::hni [mm] Rys.6. Rozkład mikrotwardości stali SW7M w funkcji odległości od powierzchni próbki naświetlonej laserem, l-stal wyżarzona 2-stal hartowana laserem z gęstością mocy 1,4 106 W/cm2 3-stal hartowana laserem z gęstością mocy o5 W/cm2 4-stal hartowana laserem z gęstością mocy 0.6 1Q5 W/cm2 oraz dwukrotnie odpuszczana w temperaturze 560 c S-stal hartowana laserem z gęstością mocy 0.6 J05 W/cm2 oraz dwukrotnie odpuszczana w temperaturze 590 c 6-stal hartowana laserem z gęstością mocy 1,4 106 W/cm2 oraz dwukrotnie odpuszczana w temperaturze 560 c 7- stal hartowana laserem z gęstością mocy l,4 J06 W /cm2 oraz dwukrotnie odpuszczana w temperaturze 590 ( =,--- - g moo~~~q~2~~~q4~~~qs~~~o~e~--,~o~--~~2~--j,4 odległość od powiara::hni [mm]

6 270 P' '(3 ~ 22 <: ~ ~20 ~ -"' ;: <: >. N ~ 14 x10-6 A ~ Rys. 7. Zmiana rzeczywistego współczynnika cieplnej rozszerzalności liniowej wraz z temperaturą dla próbki ze stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy W/cm2, podczas ciągłego nagrzewania (0, l C/s) do temperatury 590 C, A - podczas pierwszego odpuszczania, B - podczas drugiego odpuszczania W zakresie temperatury oc następuje wzrost objętości _próbki wywołany tym, iż w miarę podwyższania temperatury od oc do C następuje częściowa koalescencja i stopniowe przechodzenie wydzieleń cementytu do osnowy oraz jednoczesne wydzielanie węglików stopowych. Podczas nagrzewania stali do temperatury drugiego odpuszczania (rys.7,krzywa B) zachodzi przemiana martenzytu nieodpuszczonego (powstałego z przemiany austenitu szczątkowego podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania) w martenzyt odpuszczony. Trudno jest jednak wyróżnić zakresy temperatur odpowiadających określonym przemianom. Nie stwierdzono istotnych różnic podczas nagrzewania do temperatury odpuszczania stali obrobionej większą gęstością mocy. Podczas wygrzewania stali w temperaturze odpuszczania me nastąpiła zmiana wydłużenia próbki (rys.s). W etapie tym następuje tzw. kondycjonowanie austenitu szczątkowego związane z dyfuzją węgla z austenitu szczątkowego do martenzytu zubożonego w ten pierwiastek w wyniku wydzielania się w nim węglików stopowych - w ten sposób zachodzi wyrównanie stężenia węgla w obu fazach spowodowane gradientem potencjału chemicznego węgla w austenicie szczątkowym i martenzycie.

7 271 ~ 140 :i.138 Rys.8. Wydłużenie próbki w funkcji czasu podczas pierwszego odpuszczania w temperaturze 560 C stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy 0.6!05 W/cm L...)_~--' Czas (s) Tabela 2. Temperatury początku przemiany martenzytycznej M.' M.'' w zależności od gęstości mocy i temperatury odpuszczania Gęstość mocy Temperatura Temperatura przemiany Temperatura przemiany wiązki laserowej odpuszczania martenzytycznej martenzytycznej fw/cm 2 l [OC] M.' [OC] M," (OC] , M,'-t<mpcratura początku przemiany martcnzytyczncj (austenitu szczątkowego) podc7.as pierwszego odpuszczania. M,"'-tcmpcratura poc7.ątku prlcmiany martenzytycznej (austenitu szczątkowego) podczas drugiego odpuszczania. W czasie chłodzenia, w zależności od gęstości mocy i temperatury odpuszczania zachodził proces przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt (tabela 2). Wyniki te potwierdzają tezę, że temperatura M,' podnosi się wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania i obniża ze wzrostem temperatury austenityzowania, co związane jest ze zmianą między udziałami austenitu szczątkowego a martenzytu. Podczas drugiego odpuszczania przemianie w martenzytulega pozostała część austenitu szczątkowego w temperaturze M," Podsumowanie Stosując obróbkę laserową wyżarzonej stali SW7M z gęstością mocy 1,4 106 W/cm2 wraz z dwukrotnym odpuszczaniem w temperaturze 590 C otrzymuje się grubą ok. 0,7-0,8 mm strefę oddziaływania cieplnego o budowie komórkowo-dendrytycznej i komórkowej, której wewnętrzną strukturę stanowi martenzyt odpuszczony i węgliki, a twardość maksymalna wynosi 1520 HV0,065 (tabela 3). Twardość ta była wynikiem większej ilości rozpuszczonych węglików podczas nagrzewania stali laserem z gęstością mocy l,4 l 06 W /cm2

8 Tabela 3. Zestawienie mikrotwardości stali SW7M obrobionej laserem z gęstością mocy o W/cm2 l uh 1,4 1 o6 W/cm2 ~r7.ed i J?O odj?us7.c7.aniu l Maksymalna mikrotwardość H\'0,065 stali SW7M Rodzaj.<:abiegu ubrobiuut:j łasej e1~1 z gęstością lllocy 0, W/cm 2 1,4 106 W/cml. Przed odpuszczaniem! Dwukrotne odpuszczanie w temperaturze 560 "C Dwukrotne odpuszczanie w ternoeraturze 590 C l l Nastapiło wzbogacenie roztworu w pierwiastki stopowe a tym samym przyczyniło się do zwiększenia efektu twardości wtórnej w wyniku utwardzania wydzieleniowego podczas odpuszczania. Temperatura M,' podnosi się wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania i obniża ze wzrostem temperatury austenityzowania, co związane jest ze zmianą stosunku między udziałami austenitu szczątkowego a martenzytu. LITERATURA l. Burakowski T, Wierzcheń T : Inżynieria powierzchni metali. WNT Warszawa Debrzański L., Hajduczek E., Marciniak L Nowosielski R. : Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych. WNT Warszawa Krawiarz L Pacyna J, Paluszkiewicz T.: Badania wpływu składu chemicznego na strukturę i właściwości stali szybkotnących. Hutnik, nr 51, s.277. I Kusiński J.: Zmiany struktury i własności mechanicznych stali pod wpływem obróbki laserowej. Metalurgia i Odlewnictwo nrl32. Zeszyty AGH. Kraków Kryń L Ruszała R. : Proces odpuszczania po hartowaniu laserowym stali szybkotnącej SW7M. Praca magisterska. WSP. Rzeszów Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza. PWN. Warszawa -Kraków III Sympozjum nt. Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości mat eriałów. Red. ABylica. Krasiczyn Praca :zmaia wykooana w I3IIlld! ~~nr 7f08B pt. ~ja f7cu!sll ~i oht:jhki sja!j szył;/rajrp!j