Rdek N.,* Szlpko J.** *Ktedr Inżynierii Eksplotcji Politechnik Świętokrzysk, Kielce, Polsk **Khmelnitckij Uniwersytet Nrodowy, Khmelnitckij, Ukrin Wstęp 88 POWŁOKI ELEKTROISKROWE WC-CO MODYFIKOWANE WIĄZKĄ LASEROWĄ Orók elektroiskrow i orók lserow nleżą do grupy metod, które wykorzystują skoncentrowny strumień energii. Orók elektroiskrow dynmiczny rozwój m już z soą, oecnie zjmuje ugruntowną pozycję wśród oróek powierzchniowych. Orók lserow cły czs przeżyw rozwój również w zkresie inżynierii powierzchni. Modyfikcj wiązką lserową powłok otrzymywnych różnymi technologimi jest przedmiotem dń wielu znczących ośrodków nukowych w krju i z grnicą. Poprzez odpowiednie sterownie prmetrmi lser (np. moc, prędkość sknowni, czs impulsu możn ksztłtowć wrstwy o różnych włsnościch eksplotcyjnych, do których możn zliczyć: geometrię powierzchni, mikrotwrdość, stn nprężeń, odporność n zużycie itd. Według utorów prc [1 2] proces elektroiskrowego nkłdni powłok możn przedstwić w nstępujący sposó: - proces umocnieni wynik z osdzni się n powierzchni ktody mteriłu nody. Njwiększy efekt uzyskuje się stosując jko mterił nody mteriły o njwiększej twrdości i odporności n zużycie, tj. węgliki wolfrmu, tytnu, chromu itd.; - utwrdzon wrstw powierzchniow jest rezulttem wzjemnego oddziływni elementów nody i ktody, tworząc roztwory stłe, związki chemiczne, tlenki i zotki; - efekt utwrdzeni wynik zrówno z przeniesieni i oddziływni mteriłów elektrod, jk i impulsowego dziłni wysokiej tempertury i ciśnieni, które prowdzą do powstni skrjnie nierównowgowych fz. Postęp w konstrukcji urządzeń do oróki elektroiskrowej spowodowł, że współcześnie stosowne są różne jej odminy spełnijące zdni wytwrzni powłok [3 5], tkże ksztłtowni mikrogeometrii powierzchni [6]. Powłoki elektroiskrowe posidją pewne niedosttki, co z kolei istotnie oniż ich włściwości użytkowe. Głównie podnoszonymi wdmi tej technologii są stosunkowe duże chropowtości orz silny stn nprężeń rozciągjących powłok nłożonych elektroiskrowo. Oecnie te dw niepożądne efekty uksztłtownej powłoki ogrnicz się oróką mechniczną np. poprzez ngnitnie dimentowymi kulkmi, rolownie. Chropowtość powierzchni powłoki może yć kilknście rzy większ od chropowtości mteriłu podłoż. Alterntywną metodą, którą możn eliminowć wdy powłok elektroiskrowych jest ich orók lserow. W wyniku proponownej oróki lserowej może nstąpić uszczelnienie powłoki orz likwidcj jej defektów powierzchniowych np. rys, rozwrstwień, mikropęknięć. W prcy zjęto się określeniem wpływu modyfikcji lserowej n wyrne włściwości powłok WC-Co nniesionych elektroiskrowo. Ocenę włściwości powłok po nświetlniu lserowym przeprowdzono n podstwie: pomirów chropowtości, nlizie mikrostruktury, orz pomirów mikrotwrdości. Mteriły i prmetry oróki Przedmiotem dń yły powłoki nkłdne elektrodą WC-Co (97 % WC i 3 % Co o przekroju 3 4 mm (nod metodą elektroiskrową n podłoże ze stli 45 (ktod. Do nnoszeni powłok elektroiskrowych użyto urządzenie (o ręcznym przesuwie elektrody produkcji ukrińskiej, model EIL-8A. Opierjąc się n doświdczenich włsnych orz zlecenich producent urządzeni przyjęto nstępujące prmetry nnoszeni powłok elektroiskrowych: npięcie U = 230 V, pojemność kondenstorów C = 300 F, ntężenie prądu I = 2,4 A. Orókę lserową przeprowdzono lserem Nd:YAG (impulsowy try prcy, model BLS 720. N rysunku 1 przedstwiono schemt stnowisk do oróki lserowej. Próki z powłokmi elektroiskrowymi nświetlno lserowo przy nstępujących prmetrch oróki: średnic plmki lserowej d = 0,7 mm; moc lser P = 20 W; prędkość przemieszczni wiązki V = 250 mm/min; odległość dysz-przedmiot oriny f = 1 mm; czs trwni impulsu t i = 0,4 ms; częstotliwość powtrzni f = 50 Hz; skok przesuwu wiązki S = 0,4 mm.
89 Anliz wyników dń Rys. 1 Schemt stnowisk do oróki lserowej: 1 lser Nd:YAG; 2 świtłowód; 3 przewód doprowdzjący gz ochronny lu sprężone powietrze; 4 głowic; 5 stół rooczy; 6 prók Jedną z głównych wd powłok nniesionych oróką elektroiskrową jest ich duż chropowtość końcow. Dotychczs przeprowdzone dni orz nliz litertury wykzują, że ksztłtownie powierzchni zchodzi w wyniku nkłdni się n sieie krterów ędących wynikiem erozji podłoż jk również grzietów utworzonych z przemieszczjących się n powierzchnię cząstek mteriłu powlekjącego elektrody. Tk powstł powierzchni posid szereg nstępujących cech: regulrność, rk kierunkowości, duże promienie zokrągleń wierzchołków mikronierówności. W wielu oprcownich nukowych nlizuje się wpływ prmetrów procesu n chropowtość powierzchni. Sterując tymi prmetrmi możn uzyskć zkłdne zminy mikrogeometrii powierzchni. Jest to ztem sposó n wytwrznie powierzchni o zdnej rozwiniętej powierzchni chropowtej zwnej relifem powierzchniowym. Pomiry chropowtości przeprowdzono w Lortorium Pomirów Wielkości Geometrycznych Politechniki Świętokrzyskiej z pomocą przyrządu TALYSURF 4 przy wykorzystniu progrmu SUFORM. Pomiry chropowtości powłok WC-Co wykonno w dwóch prostopdłych do sieie kierunkch. Pierwszy pomir ył wykonny zgodnie z ruchem przemieszczni się elektrody, ntomist drugi pomir ył prostopdły do ściegów sknujących. Z dwóch pomirów oliczono wrtość średnią prmetru R dl dnej powłoki. Pomiry powłok WC-Co oroionych lserem wykonno w kierunku prostopdłym i równoległym do osi ścieżek wykonnych wiązką lserową, nstępnie oliczono wrtość średnią chropowtości dl dnej powłoki. W większości prc podwne są wyniki pomirów chropowtości dl profili mierzonych wzdłuż osi ścieżek otrzymnych lserem, co nie odzwierciedl rzeczywistego orzu mikrogeometrii powierzchni po tej oróce. Mksymlne wysokości chropowtości występują owiem w kierunku prostopdłym do osi ścieżek. Powłoki WC-Co posidły chropowtość R = 1,55 2,07 m, ntomist po oróce lserowej chropowtość wynosił od 2,81 3,97 m. Próki ze stli 45, n które nnoszono powłoki miły chropowtość R = 0,36 0,38 m. Przykłdowe wyniki pomirów prmetrów mikrogeometrii dnych próek przedstwiono n rysunku 2. N podstwie przeprowdzonych pomirów możn stwierdzić, że orók lserow powoduje wzrost chropowtości powłok WC-Co. Większ chropowtość powłok WC-Co po oróce lserowej jest efektem ruchu ciekłego metlu wywołnego siłmi npięci powierzchniowego. Niejednorodny rozkłd tempertury w wiązce lserowej (mod TEM 00 powoduje, że profil powierzchni po zkrzepnięciu jest również niejednorodny i w pewnym sensie odzwierciedl rozkłd energii w oszrze przetopionym. W przypdku oróki lserem impulsowym przyjmuje się, że głównym czynnikiem decydującym o profilu powierzchni po zkrzepnięciu jest ciśnienie pr mteriłu orinego, które powoduje wyrzucnie mteriłu z centrlnego oszru i powstnie chrkterystycznych wypływek n grnicy z oszrem nieprzetopionym. Dlszy etp dń poległ n nlizie mikrostruktur powłok WC-Co przed i po oróce lserowej. Do dń mikrostruktury wykorzystno elektronowy mikroskop skningowy Joel typ JSM-5400.
90 Rys. 2 Przykłdowe wyniki pomirów prmetrów mikrogeometrii dl powłoki WC-Co nłożonej elektroiskrowo n stl 45: przed oróką lserową (pomir wykonny w kierunku równoległym do ruchu przemieszczni się głowicy powlekjącej; po oróce lserowej (pomir wykonny w kierunku prostopdłym do osi ścieżek wykonnych wiązką lserową Rys. 3 Mikrostruktur i rozkłd liniowy pierwistków w powłoce WC-Co nłożonej elektroiskrowo Rys. 4 Mikrostruktur i rozkłd liniowy pierwistków w powłoce WC-Co nłożonej elektroiskrowo po przetopie lserem Nd:YAG N fotogrfii (rys. 3, przedstwiono przykłdowy widok mikrostruktury powłoki WC-Co stopownej elektroiskrowo. W oprciu o uzyskne wyniki stwierdzono, że gruość uzysknych wrstw wyniosł od 20 30 m, ntomist zsięg strefy wpływu ciepł (SWC w głą mteriłu podłoż ok. 15 20 m. N przedstwionej fotogrfii mikrostruktury widoczn jest wyrźn grnic pomiędzy powłoką, podłożem orz możn zoserwowć pory i mikropęknięci. Anliz liniow (rys. 3, powłoki WC-Co wykzł nierównomierny rozkłd pierwistków w tej powłoce. Możn wyróżnić strefy, w których występują znczne ilości W, Co orz Fe. Pondto n wykresie rozkłdu liniowego powłoki WC-Co widoczne są śldy połączeni dyfuzyjnego powłoki z podłożem. W dnej powłoce rk jest wyrźnie widocznej segregcji skłdników. Anlizując wykres rozkłdu liniowego powłoki WC-Co (rys. 3, oserwuje się zwiększoną zwrtość węgl w uksztłtownej oróką elektroiskrową powłoce. Jest to przykłd dyfuzji wstępującej, któr poległ n przemieszczniu się z mteriłu podłoż (stli 45 węgl (w wyniku oddziływń cieplnych do ksztłtownej elektroiskrowo technologicznej wrstwy powierzchniowej (TWP.
91 W wyniku modyfikcji wiązką lserową powłok WC-Co nniesionych elektroiskrowych i nstępującego po nim krzepnięci, ich skłd chemiczny uległ zminie. Orók lserow spowodowł ujednorodnienie skłdu chemicznego powłoki (rys. 4,. Nstąpiło również rozdronienie struktury i krystlizcj fz silnie przesyconych wskutek występowni zncznych grdientów tempertur orz uzyskiwni dużych prędkości chłodzeni. Wytworzone w wyniku stopowni lserowego TWP nie posidją mikropęknięć i porów (rys. 4, orz nieciągłości n grnicy powłok - podłoże. Gruość nświetlnych lserowo powłok WC-Co mieści się w zkresie od 40 50 m. Powstł w wyniku stopowni lserowego SWC m zsięg 30 40 m, pondto w strefie wpływu ciepł oserwuje się zwiększoną zwrtość węgl. W osttnim etpie dń wykonno pomiry mikrotwrdości metodą Vickers, stosując ociążenie 40 G. Odciski penetrtorem wykonno n zgłdch prostopdłych w trzech strefch: w powłoce (wrstwie iłej, w strefie przetopu powłoki orz w strefie wpływu ciepł (SWC, jk również w mterile rodzimym. Wyniki pomirów mikrotwrdości dl powłok elektroiskrowych WC-Co przed i po oróce lserowej przedstwiono n wykresie (rys. 5. 800 Mikrotwrdość HV 0,04 700 600 500 400 300 200 100 617 510 405 317 WC-Co WC-Co+lser 142 143 0 pow łok SWC mterił rodzimy Rys. 5 Wyniki pomirów mikrotwrdości Zstosownie oróki elektroiskrowej spowodowło zminy mikrotwrdości w orinym mterile. Mikrotwrdość mteriłu podłoż po oróce elektroiskrowej wynosił średnio około 142 HV 0,04 (tk smą wrtość mikrotwrdości mił mterił w stnie wyjściowym. Nkłdjąc oróką elektroiskrową powłoki WC- Co uzyskno znczny wzrost mikrotwrdości w stosunku do mikrotwrdości mteriłu podłoż. Powłok WC- Co posidł średnią mikrotwrdość 617 HV 0,04 (nstąpił wzrost mikrotwrdości średnio o 335 % w stosunku do mikrotwrdości mteriłu podłoż. Mikrotwrdość SWC po oróce elektroiskrowej wzrosł o 185 % w stosunku do mikrotwrdości mteriłu podłoż. Zstosownie oróki lserowej oniżyło niezncznie mikrotwrdość powłok elektroiskrowych. Nświetlnie lserowe spowodowło spdek mikrotwrdości powłok WC-Co o 21 % w odniesieniu do tych powłok ez nświetlni lserowego. Nieznczny spdek mikrotwrdości dnych powłok (po oróce lserowej może mieć wpływ n poprwę ich włściwości plstycznych, co m istotne znczenie podczs prcy przy dużych ociążenich np. nrzędzi wiertniczych w przemyśle wydoywczym, elementów prs stosownych w cermice udowlnej. Podsumownie N podstwie przeprowdzonych dń możn sformułowć nstępujące wnioski: 1. Skoncentrownym strumieniem wiązki lserowej możn skutecznie modyfikowć stn wrstwy wierzchniej powłok elektroiskrowych i wpływć w ten sposó n ich włściwości użytkowe. 2. Chropowtość powłok elektroiskrowych po oróce lserowej jest dwukrotnie większ w stosunku do chropowtości powłok ez tej oróki. 3. W wyniku lserowego przetopieni powłok elektroiskrowych i nstępującego po nim krzepnięci otrzymujemy rozdronienie struktury, ujednorodnienie skłdu chemicznego orz likwidcję mikropęknięć i porów. 4. Orók lserow powłok elektroiskrowych spowodowł oniżenie mikrotwrdości powłok WC-Co o 21 % w odniesieniu do tych powłok ez nświetlni lserowego. 5. W dlszym etpie dń z konieczne wydje się wykonnie pomirów nprężeń włsnych orz dń triologicznych i odporności korozyjnej powłok elektroiskrowych przed i po oróce lserowej.
92 Litertur 1. Prc ziorow pod redkcją Petrow J.: Elektroiskrowoje legirownie metllićieskich powierchnostoj. Kisziniew, 1985. 2. Smsonow G., Wierhotyrow A., Bowkun G., Sycziew B.: Elektroiskrowoje legirownie metlliczeskich powierchnostoj. Wydwnictwo Nukow dumk, Kijev 1976. 3. Antoszewski B., Rdek N.: Elektroiskrowo nnoszone powłoki tytnowe i molidenowe. Przegląd Spwlnictw 8-10 (2002. 4. Goto A., Moro T., Mtsukw K., Akiyoshi M., Sito N., Mohri N.: Development of electricl dischrge coting method. Proceeding of Interntionl Symposium for Electro-Mchining XIII, Bilo 2001. 5. Mgr T., Sito N., Mohri N., Goto A.: Formtion of hrd lyer on metllic mteril y EDM. Proceeding of Interntionl Symposium for Electro-Mchining XII, Achen 1998. 6. Michjłjuk A. I.: Umienszienije szierochowtosti eliektroiskrowych pokrytij pri posliedujuszcziej orotkie grfitowym eliektrodom. Elektronnj Orotk Mteriłow 3 (2003. Надійшла 29.06.2006 Ч И Т А Й Т Е журнал P r o l e m s o f T r i o l o g y во всемирной сети I N T E R N E T! http://www.tup.km.u/science/journls/triology/