KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 1 lub 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 MARTA PACZKOWSKA * WŁODZIMIERZ WALIGÓRA ** STRUKTURA STREF WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ ŻELIWA SFEROIDALNEGO EN-GJS-500 PO BOROWANIU LASEROWYM W poniższym artykule został omówiony wpływ borowania laserowego na strukturę warstw powierzchniowych żeliwa sferoidalnego. Stwierdzono, że po borowaniu laserowym od powierzchni w głąb można wyróżnić następujące strefy: przetopioną, przejściową i zahartowaną. Mikrotwardość w strefie przetopionej jest 4-6-cio krotnie wyższa od twardości rdzenia. Odnotowano również, że im mniejsze rozmiary strefy przetopionej tym wyższa jest twardość tej strefy. Wykazano ponadto równomierne stężenie boru w strefie przetopionej od powierzchni w głąb nagrzewanej próbki. Dokonano także analizy struktury i twardości strefy przejściowej i zahartowanej stwierdzając występowanie wokół kulek grafitu otoczek martenzytycznych i ledeburytycznych w strefie przejściowej oraz otoczek martenzytycznych w strefie zahartowanej. Zaobserwowano zmniejszanie się tych grubości otoczek wraz z odległością od strefy przejściowej. Słowa kluczowe: borowanie laserowe, żeliwo sferoidalne, struktura 1. WPROWADZENIE Żeliwo sferoidalne znajduje coraz szersze zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Odlewy z żeliwa sferoidalnego wypierają odlewy staliwne, a nawet odkuwki ze stali [1]. Tworzywo to, wykorzystuje się między innymi na elementy skrzyń biegów, koła zębate, tuleje cylindrowe, wały korbowe, wałki rozrządu. Odlewy z żeliwa sferoidalnego stosuje się również w przypadku elementów maszyn rolniczych i hydraulicznych [2-4]. Niektóre części tych elementów narażone są podczas pracy na intensywne ścieranie i korozję. Wymaga się więc od nich odpowiednich własności warstwy powierzchniowej. Jedną z metod pozwalających na lokalną zmianę własności warstwy powierzchniowej jest obróbka laserowa. Jak wynika z badań [5] dotyczących przetapiania laserowego żeliwa * Mgr inż. Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki ** Prof. dr hab. Poznańskiej.
2 M. Paczkowska, W. Waligóra sferoidalnego odnotowano 3-4-krotny wzrost mikrotwardości warstwy przetopionej w porównaniu do twardości materiału rdzenia. Żeliwo z warstwą powierzchniową o drobnoziarnistej strukturze zahartowanego żeliwa białego uzyskanego przez hartowanie laserowe z przetopieniem wykazuje wyższą odporność na zużycie i na korozję niż żeliwo nieobrobione [6]. Dodatkowe możliwości stwarza stopowanie laserowe. Wprowadzanie pierwiastków stopowych w warstwę powierzchniową elementu żeliw znalazło praktyczne zastosowanie w podnoszeniu twardości, odporności na zużycie i korozję. Poza możliwością tworzenia struktur nadających określone własności warstw powierzchniowych elementów warto jest też wspomnieć o możliwości eliminacji pewnych niekorzystnych cech zawiązanych z konwencjonalną obróbką cieplno-chemiczną np. czasochłonnością i nieekologicznością procesów obróbki dyfuzyjnej. Obróbka za pomocą lasera technologicznego daje możliwość intensywnego nagrzewania powierzchni o dowolnie skomplikowanym kształcie skoncentrowaną wiązką laserową, precyzyjnego sterowania dawką energii, zachowania pierwotnych wymiarów elementów obrabianych laserowo, a ponadto możliwa jest też łatwa automatyzacja procesu i duża szybkość osiągania pożądanego efektu technologicznego [7]. Dodatkowe możliwości daje połączenie lasera technologicznego z np. tokarką, co pozwala na tzw. obróbkę hybrydową, w czasie której można jednocześnie hartować i toczyć część warstwy wierzchniej oraz nagrzewać laserowo i toczyć twarde materiały ceramiczne [8]. Wszystkie te możliwości i zalety obróbki laserowej sprzyjają rozpowszechnianiu stopowania laserowego materiałów, w tym również żeliw. Celem prezentowanych badań jest określenie wpływu borowania laserowego na strukturę warstw powierzchniowych żeliwa sferoidalnego. 2. METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań były próbki z żeliwa sferoidalnego EN-GJS-500 (3,82% C, 2,53% Si, 0,33% Mn, 0,02% Cr, 0,042% P, 0,013% S i 0,257% Cu) poddane uprzednio borowaniu laserowemu. Substancją stopującą był amorficzny bor. Obróbka laserowa przeprowadzona została za pomocą lasera CO 2 o pracy ciągłej firmy Triumph o maksymalnej mocy 2600W i modzie TEM 0,1 znajdującego się w laboratorium Technik Laserowych Politechniki Poznańskiej. Zastosowano stałą średnicę wiązki laserowej 4 [mm] i stałą prędkość jej przesuwu względem próbki 8 [mm s -1 ]. Warianty obróbki różniły się jedynie zastosowaną mocą wiązki laserowej, która mieściła się w zakresie 300 2500 [W], a więc w zakresie gęstości mocy 2,4 10 3 2 10 4 [W cm -2 ]. Do badań efektów obróbki laserowej wykorzystano: mikroskop optyczny (pomiar geometrii stref i analiza ich struktury), mikrotwardościomierz (wyznaczenie rozkładów mikrotwardości od powierzchni w głąb próbek przez strefy
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego... 3 zmodyfikowane), oraz spektroskop elektronów Auger (określenie stężenia boru, węgla i żelaza). 3. WYNIKI I ANALIZA BADAŃ W budowie warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym można wyróżnić trzy charakterystyczne strefy: przetopioną, przejściową i zahartowaną (rys.1.). Strefa przetopiona, pierwsza od powierzchni widoczna w postaci jasnego, jednorodnego obszaru oddzielona jest od strefy zahartowanej znacznie cieńszą od pozostałych dwóch strefą przejściową. Rys. 1. Przykładowy przekrój poprzeczny elementu z żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym Fig. 1. Example of transverse section of nodular iron part after laser boronizing Uzyskano równomierne rozmieszczenie boru od powierzchni w głąb próbki. Obecność boru w strefie przetopionej wykazały badania metodą spektroskopii elektronów Auger (AES) (rys.2 - oznaczenie na osi Y to wysokość piku na różniczkowym widmie otrzymanym metodą AES, od powierzchni w głąb strefy przetopionej). W strefie przetopionej w przypadku stopowania laserowego, jak podają informacje zawarte w literaturze [9] w wyniku ultraszybkiego chłodzenia następującego po przetapianiu możliwe jest otrzymanie superdrobnokrystalicznych faz metastabilnych, a nawet szkieł metalicznych. Obserwacja struktury strefy przetopionej w większym powiększeniu (rys.3.) pozwala przypuszczać, że jest to eutektyka (α+fe 2 B), gdzie regularne drobne wydzielenia to Fe 2 B. Analogiczną strukturę w strefie przetopionej, w której wykazano występowanie fazy Fe 2 B metodą rentgenowską, uzyskano po borowaniu laserowym stali łożyskowej ŁH15 [10] jak również w wyniku przetapiania laserowego wytworzonej warstwy
4 M. Paczkowska, W. Waligóra borków metodą dyfuzyjną na stali U8 [11]. Faza alfa, jak piszą autorzy [11], może mieć strukturę ferrytyczną lub martenzytyczną. Rys. 2. Przykładowy rozkład stężenia pierwiastków uzyskany po pomiarach metodą AES w strefie przetopionej po borowaniu laserowym Fig. 2. Example of elements distribution on the section from surface of nodular iron after laser boronizing appointed with Auger electron spectroscopy (AES) method Rys. 3. Fragment strefy przetopionej próbki żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym Fig. 3. Part of melted zone of nodular iron after laser boronizing W rejonach bezpośrednio przylegających do strefy przejściowej można zaobserwować wyraźną strukturę dendrytyczną (rys. 4.). Jest ona szczególnie tam widoczna ponieważ częściowo przetopione ziarna są miejscem zarodkowania dendrytów [12]. W strefie przetopionej widoczne są również gdzieniegdzie kulki grafitu (rys.1.), które podczas przetapiania laserowego nie zdążyły się całkowicie rozpuścić. Niemniej jednak, laserowe przetapianie stopów o złożonym składzie chemicznym i dużej niejednorodności chemicznej, do których należą żeliwa, prowadzi do ujednorodnienia ich struktury i składu chemicznego [9]. Na
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego... 5 duży stopień ujednorodnienia w strefie przetopionej wskazują, poza obserwacją mikrostruktury, niewielkie różnice w mikrotwardości (rys.4.). Rys. 4. Przykładowy rozkład mikrotwardości w głąb próbki z żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym wraz ze zdjęciem mikrostruktury warstwy powierzchniowej Fig. 4. Example of microhardness distribution on the section from surface of nodular iron after laser boronizing with structure photograph Mikrotwardość w strefie przetopionej w zależności od zastosowanego wariantu obróbki laserowej znajduje się w zakresie 1000-1400HV0,1. Ponadto można zaobserwować zależność mikrotwardości strefy przetopionej od jej grubości (rys.5.). Wyższej mikrotwardości można spodziewać się w strefach przetopionych o mniejszej ich grubości. Relacja ta, może wynikać z co najmniej dwóch przyczyn, a mianowicie: pierwszej związanej z faktem że ta sama ilość amorficznego boru przypadała na różną grubość warstewki przetapianego podłoża co w efekcie zmieniło proporcje pierwiastków w uzyskanym stopie, oraz drugiej, związanej z innymi warunkami chłodzenia w warstwach o różnych grubościach, co zmienia zasadniczo warunki tworzenia struktury. Znaczne różnice mikrotwardości można zaobserwować w pozostałych dwóch strefach: przejściowej i zahartowanej (rys.4.). Strefa przejściowa zawiera w sobie elementy strefy przetopionej i zahartowanej. Można w niej zaobserwować między innymi kulki grafitu w podwójnych otoczkach (rys.6.).
6 M. Paczkowska, W. Waligóra 1800 1600 1400 HV0,1 = -1,15lp + 1500 rxy = 0,992 HV 0,1 1200 1000 800 600 400 0 100 200 300 400 500 lp [μm] Rys. 5. Zależność mikrotwardości strefy przetopionej podczas borowania laserowego żeliwa sferoidalnego od jej grubości Fig. 5. Relationship between melted zone microhardness and its thickness Mechanizm tworzenia się tych otoczek opisali Grum i Štrum w swoich publikacjach [5, 13]. Dyfuzja węgla z kulek grafitu do austenitu podczas obróbki laserowej powoduje wzrost jego koncentracji w osnowie austenitu otaczającej grafit. Efektem tego jest obniżenie temperatury topnienia w tym miejscu i lokalne przetopienie otoczki austenitu wokół kulki grafitu. W konsekwencji, po szybkim schłodzeniu tworzy się w tym miejscu zahartowany ledeburyt przemieniony. Dookoła kulki grafitu gdzie nie nastąpiło przetopienie, a jedynie występuje zwiększona koncentracja grafitu tworzy się w wyniku szybkiego chłodzenia martenzyt [5, 13]. W wyniku tego procesu tworzą się dwie otoczki wokół grafitu: ledeburytyczna i martenzytyczna. W strefie zahartowanej natomiast, wokół grafitu występują jedynie otoczki martenzytyczne (rys. 7 i 8). Rys. 6. Fragment strefy przejściowej z widocznym obszarem strefy przetopionej żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym Fig. 6. Part of transition zone with visible meted zone area of nodular iron after laser boronizing
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego... 7 Podobnie jak w strefie przejściowej podczas obróbki laserowej również tutaj następuje dyfuzja węgla z kulki grafitu do austenitu. W strefie tej temperatura już nie jest jednak na tyle wysoka i dyfuzja węgla tak duża jak w przejściowej, aby nastąpiło lokalne nadtopienie. Po szybkim schłodzeniu powstaje więc pojedyncza otoczka martenzytyczna. W strefie zahartowanej występuje, oprócz martenzytu i grafitu także ferryt. Ponieważ wyjściową osnowę badanego żeliwa stanowił ferryt i perlit, austenit jaki tworzy się podczas krótkiego nagrzewania wiązką laserową charakteryzuje się różną koncentracją węgla. Obszar austenitu bogaty w węgiel po schłodzeniu przemienia się w martenzyt natomiast pozostały obszar ubogi w węgiel przemienia się z powrotem w ferryt. W efekcie w strefie zahartowanej powstają otoczki martenzytyczne oddzielające kulki grafitu od ferrytu, widoczne na rysunkach 7 i 8. Rys. 7. Fragmenty strefy zahartowanej w pobliżu strefy przejściowej żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym Fig. 7. Part of hardened in the vicinity of transition zone of nodular iron after laser boronizing Rys. 8. Fragmenty strefy zahartowanej w pobliżu materiału rdzenia żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym Fig. 8. Part of hardened in the vicinity of core material of nodular iron after laser boronizing
8 M. Paczkowska, W. Waligóra Rys. 7 przedstawia fragment strefy zahartowanej w pobliżu strefy przejściowej, natomiast rys. 8 przestawia fragment strefy zahartowanej w pobliżu materiału rdzenia. Można zaobserwować, że grubość otoczek w pobliżu strefy przejściowej jest większa niż w przypadku otoczek występujących dalej od tej strefy. Na wykresie (rys. 9.) zamieszczone zostały wyniki pomiarów grubości otoczek dla pięciu z zastosowanych mocy wiązki laserowej. Należy zaznaczyć, że podczas obróbki laserowej stosowano te same czasy nagrzewania poszczególnych fragmentów próbki tj = 0,5 [s] (średnica wiązki laserowej d = 4 [mm], prędkość przesuwu wiązki laserowej względem próbki v = 8 [mm s -1 ]), podczas gdy moc między wariantami różniła się aż 6-cio krotnie. Z przedstawionych wykresów wynika, że wyższa moc spowodowała uzyskanie większej grubości otoczek martenzytycznych wokół grafitu. Fakt ten oznacza, że dyfuzja węgla z grafitu do austenitu podczas nagrzewania laserowego była większa w przypadku zastosowania wyższej mocy. 12 10 8 6 4 g g = = -17,96-17,959 l + 19,07 l + 19,069 r xy = r xy 0,933 = 0,933 P = P 2500W = 2500W 2 g = -19,10 l + 9,60 g = -22,52 l +12,49 g = -23,35 l+15,25 g = g -20,462 = l l + 17,611 r xy = 0,860 r xy = 0,984 r xy = 0,863 r xy r xy = 0,961 P = 2000W P = 400W P = 500W P = 800W P = 2000W 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 l [mm] Rys. 9. Zależność grubości otoczki martenzytycznej grafitu od odległości od strefy przetopionej po różnych wariantach obróbki laserowej Fig. 9. Relationship between martensite graphite shell thickness and distance from transition zone Zważywszy, że temperatury w strefie austenityzacji w obu przypadkach musiały być podobne można przypuszczać, że ze względu na wyższe temperatury w strefie przetopionej w przypadku zastosowania większej mocy, czas odprowadzania ciepła był dłuższy. Wysoka temperatura utrzymywała się w strefie austenityzacji dłużej co zwiększyło czas, w którym węgiel mógł dyfundować z grafitu do austenitu. W związku z tym większy obszar austenitu wzbogacił się w węgiel co bezpośrednio wpłynęło na grubość otoczki martenzytycznej. Wyznaczenie tych wykresów umożliwia świadome ingerowanie w strukturę warstw powierzchniowych żeliwa sferoidalnego poprzez nagrzewanie laserowe.
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego... 9 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań sformułować można nastepujące spostrzeżenia: po borowaniu laserowym elementów z żeliwa sferoidalnego od ich powierzchni w występują następujące strefy: przetopioną, przejściową i zahartowaną., strefa przetopiona charakteryzuje się dużym stopniem ujednorodnienia, przy granicy strefy przetopionej widoczna jest wyraźna struktura dendrytyczna, natomiast w całym obszarze strefy można zaobserwować gdzieniegdzie rozpuszczone podczas obróbki laserowej kulki grafitu, mikrotwardość strefy przetopionej jest 4-6-cio krotnie wyższa od twardości rdzenia, mikrotwardość strefy przetopionej borowanego laserowo żeliwa wzrasta wraz ze zmniejszaniem się grubości tej strefy, pomiędzy strefą przetopioną a zahartowaną występuje strefa przejściowa zawierająca elementy struktury strefy przetopionej i zahartowanej, w strefie przejściowej kulki grafitu oddzielone są od ferrytu podwójną otoczką: ciemniejszą - martenzytyczną oraz jaśniejszą, stanowiącą zahartowany ledeburyt przemieniony. Występowanie zahartowanego ledeburyt przemienionego wskazuje na lokalne przetopienia wokół kulek grafitu podczas obróbki laserowej, ze względu na występowanie strefy przejściowej w przypadku przetapiania laserowego żeliw sferoidalnych można spodziewać się dobrego połączenia strefy przetopionej z zahartowaną, strefa zahartowana pod względem struktury jest różnorodna. Na podstawie analizy obrazów mikrostruktury i pomiarów mikrotwardości można stwierdzić występowanie w niej: martenzytu, grafitu i ferrytu, grafit w strefie zahartowanej oddzielony jest od ferrytu otoczką martenzytyczną, grubość otoczki martenzytycznej wokół kulek grafitu w tej strefie zmniejsza się wraz z odległością od strefy przetopionej. LITERATURA [1] Metaloznawstwo dla mechaników, Praca zbiorowa, Poznań, WPP, 1996. [2] Binczyk F., Konstrukcyjne stopy odlewnicze, Gliwice, WPŚ 2003. [3] Gadag S.P., Srinivasan M.N., Cavitation erosion of laser-melted ductile iron, Journal of Materials Processing Technology, 1995, 51, s. 150-163. [4] Luo Q., Xie J., Song Y., Effects of microstructures on the aberasive wear behaviour of spheroidal cast iron, Wear, 1995, 184, s. 1-10.
10 M. Paczkowska, W. Waligóra [5] Grum J., Štrum R., Microstructure analysis of nodular iron 400-12 after laser surface melt hardening, Materials Characterization, 1996, 37, s. 81-88. [6] Burakowski T., Wierzchoń T., Inżynieria powierzchni metali, Warszawa, WNT, 1995. [7] Napadałek W., Przetakiewicz W.: Wpływ obróbki laserowej na właściwości wybranych elementów silnika spalinowego, Inżynieria Materiałowa, 2002, nr 5, s. 547-553. [8] Kawalec M., Barbacki A., Pertek-Owsianna A., Jankowiak M., Nowak I., Zastosowanie lasera technologicznego CO 2 do doskonalenia właściowśći warstwy wierzchniej stali oraz wspomagania toczenia twardej ceramiki konstrukcyjnej Si 3 N 4, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, KBM PAN, 2004, Vol. 24 nr2, s. 139-157. [9] Kusiński J., Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty laserowego przetapiania stopów żelaza, I Ogólnopolska Konferencja Naukowa pt.: Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchniowej, Łódź, Wrzesień 1994, s. 267-270. [10] Paczkowska, M., Waligóra W.: Struktura stali łożyskowej po borowaniu laserowym, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, KBM PAN, 2003 vol. 23, nr 1, s. 137-145. [11] Vorosnin, L.G., Nada, Ch.A.: Obróbka laserowa borkowych i węglikowych warstw dyfuzyjnych, Inżynieria Powierzchni, 1997, nr 2/3, s. 45-53. [12] Kusiński J.: Zmiany struktury i własności mechanicznych stali pod wpływem obróbki laserowej, Kraków, Zeszyty naukowe 132, Metalurgia i odlewnictwo, 1989. [13] Grum, J.; Štrum, R.: Comparison of measured and calculated thickness of martensite and ledeburite shells around graphite nodules in the hardened layer of nodular iron after laser surface remelting, Applied Surface Science, 2002, 187, s. 116-123. Praca wpłynęła do Redakcji 28.03.2006 Recenzent: prof. dr hab. inż. SURFACE LAYER ZONES STRUCTURE OF 500-7 NODULAR IRON AFTER LASER BORONIZING S u m m a r y In this paper laser boronizing effect on the nodular iron surface layers structure has been studied. It has been stated three different zones from the surface could be distinguished: melted, transition and hardened. Microhardness of melted zone is 4-6 times higher than the core hardness. It has been noticed also the smaller melted zone thickness the higher microhardness is. Moreover, stable boron distribution in melted zone on the section from the surface of heating material has been observed. Structure and microhardness of transition and hardened zones have been analyzed, as well. Martensite shells around graphite nodules in these both zones have been observed and it has been found their sizes are decreased with the distance from the surface. Additionally, ledeburite shells around graphite nodules in transition zone have been occurred. Key words: laser boronizing, nodular iron, structure