27/26 Solidification ofmetal and Alloys, No.27, 1996 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 PAN- Oddział Katowice PL ISSN 0208-9386 BADANIE PROCESÓW ODPUSZCZANIA LASEROWO HARTOWANYCHSTALIWĘGLOWYCH BYLICA Andrzej, ADAMIAK Stanisław Instytut Techniki, Wyższa Szkoła Pedagogiczna 35-310 Rzeszów, ul.rejtana 16 Wstęp żeliw Zastosowanie technologii hartowania laserowego do modyfikacji warstwy wierzchniej stali i stwarza specyficzne warunki przemian strukturalnych i powoduje korzystne zmiany właściwości fizycznych i mechanicznych, zwłaszcza w zakresie odporności na zużycie, a w pewnych przypadkach także w zakresie wytrzymałości zmc;czcniowej i odporności korozyjnej [1-7]. Hartowanie laserowe odbywa się przy prędkościach nagrzewania i chłodzenia (Vg(ch)= 10 4-10 6 C/s) znacznie przewyżs zających te które występują podczas hartowania konwencjonalnego (Vg(ch)= 10 2-10 3 C/s). W zależności od maksymalnej temperatury do której nagrzewana jest powierzchnia obrabiana, realizowane jest hartowanie z przetopieniem T>T, i hartowanic bezprzetopieniowe T<T, [8-10]. Rysunek l i 2 przedstawia schemat hartowania konwencjonalnego oraz laserowego z przetopieniem i bez przetopienia powierzchni. W wyniku połączony c h procesów gwałtownego nagrzewania i chłodzenia w stali podczas laserowego hartowania bezprzetopieniowego mogą występować procesy i przemiany podobne do zachodzących przy tradycyjnych metodach obróbki, choć jakościowo znacznie się różniące. W wyniku bardzo krótkich czasów nagrzewania i chłod z enia ulegają spowolnieniu procesy wydzieleniowe, ujednoradniania stali oraz następuje przesunięcie temperatur przemian zachodzących w stanie s tałym. Hartowanic laserowe bezprzetopieniowe zwiększa: twardo ść, wytrzymałość statyczną i zmęczeniową w wyniku powstania korzystnych naprężeń ściskających, udarność i ciągliwość, odporność na korozję i zużycie przez tarcie, przy czym chropowatość powierl:chni nie ulega zmianie.
178 lo g ar~ t m ~7.tSii Bezprzetopieniowe hartowanie laserowe jest stosowane do umacniania stali narzędziowych do pracy na zimno, stali szybkotnących, nisko- i średniowęglowych stali konstrukcyjnych [l 0]. Podczas hartowania z przetopieniem warstwy wierzchniej materiału następuje częściowe lub całkowite rozpuszczenie występujących w strukturze faz wydzieleniowych lub zanieczyszczeń (węglików, grafitu lub tlenków). Szybka i równomierna krystalizacja (duża ilość zarodków) umożliwia uzyskanie struktury bardziej drobnoziarnistej, a spowolnienie procesów wydzieleniowych sprawia, że fazy wydzieleniowe nie wydzielają s i ę powtórnie lub wydzielają się w innej postaci. Przetopieniu towarzyszy znaczne przesycenie roztworów, rozdrobnienie faz oraz oczyszczenie granic ziam, co ma szczególne znaczenie ze względu na odporność korozyjną. Hartowanie z przetopieniem jest szeroko stosowane do obróbki żeliw szarych, przynosi równi eż wyraźne korzyści w odniesieniu do konstrukcyjnych stali nisko- i średniowęglowych, stali łożyskowych, narzędziowych oraz konstrukcyjnych stali nierdzewnych. We wszystkich przypadkach struktura stali zahartowanej jest bardziej jednorodna chemicznie i strukturalnie, wykazuje większą udarność, korzystny rozkład naprężeń własnych, wytrzymałość zmęczeniow ą oraz wzrost twardości [9, l 0]. Wzrostowi wytrzymało ś ci i twardości po hartowaniu objętościowemu jak i laserowemu towarzyszą również niekorzystne zmiany np.: obniżenie plas tyczności, wzrost skłonności do kruchego pękania. Przeprowadzenie procesu odpuszczania bezpośrednio po hartowaniu pozwala na pop rawę plastyczności, zmniejszenie skłonności do kruchego pękan ia, zwiększenie granicy sprężys toś ci przy równoczesnym zmniejszeniu twardości i wytrzymałości.
179 II III IV Ponieważ procesy występujące podczas odpuszczania t.j. wydzielanie się węgla z martenzytu, powstawanie węglika E, zmniejszenie tetragonalności martenzytu, rozkład austenitu szczątkowego, przemiana węglika E w cementyt i o l 00 200 300 400 500 600 Temperaturo. T Rys. 3. Krzywa dylatometryczna nieizotermicznego odpuszczania stali [11] jego koagulacja; zachodzą z różną intensywnością w zależności od temperatury możemy wyróżnić kilka etapów z przewagą określonego typu przemiany (rys. 3): 80-200 C - wydzielanie się węgla z martenzytu, powstawanie węglika e, 170-300 C - przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony, 290-400 C - całkowite wydzielenie węgla z roztworu, przemiana węglika e w cementyt, 400-650 oc-koagulacja cząsteczek cementytu [11]. 2. Badania własne Celem badań jest określenie kinetyki przemian fazowych i zmian strukturalnych zac hodzących w stalach węglowych 15 i N9E poddanych odpuszczaniu po obróbce laserowej i porównanie ich z właściwościami uzyskanymi po hartowaniu konwencjonalnym. Próbki hartowano laserem technologicznym C02 o działaniu ciągłym firmy Photon Source typ VFA 2500 w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. W celu zw ięks zen ia promieniowania próbki pokryto sadzą lampową. Obróbkę laserową przeprowadzono w atmosferze ochronnej azotu przy parametrach lasera: moc promieniowania P = 2 kw, prędkość przesuwu wiązki v = lo mm/s, ogniskowa soczewki f= 127 mm, średnica wiązki u wylotu dyszy D = 18 mm, odległość ogniska soczewki od powierzchni materiału ~f =20 mm. Gęstość mocy promieniowania laserowego wynosiła 3,2 10 4 W/cm 2, czas ekspozycji Tp "'0,28 s, średnica wiązki laserowej na próbce 2,8 mm. Warunki hartowania konwencjonalnego próbek były następujące: - stal 15-900 C/ l O min/ woda, -stal N9E -800 C/10 min/ woda.
180 Po hartowaniu laserowym objętościowym próbki odpuszczano w temperaturze 250 C, 350 C i 450 C, w czasie l godz. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie optycznym Neophot 2 oraz mikroskopie skaningowym TESLA BS-340. Pomiary mikrotwardości wykonano mikrotwardościomierzem Hanemanna mph l 00, przystosowanym do współpracy z mikroskopem metalograficznym Neophot 2. Warunki pomiarów mikrotwardości były następujące: - obciążenie wgłębnika 0,64 N (0,065 KG ), - czas trwania obciążenia l O s. 3. Analiza wyników badań Badania metalograficzne próbek po hartowaniu laserowym ujawniły trzy strefy: strefę materiału przetopionego i zahartowanego, - strefę materiału zahartowanego ze stanu stałego, - materiał wyjściowy w stanie niezmienionym. Po hartowaniu objętościowym w stali 15 ujawniono strukturę niepełnej przemiany martenzytycznej, wewnątrz zachowanych równoosiowych ziarn wyjściowej struktury ferrytycznoperlitycznej (rys.4a). Natomiast hartowanie laserowe spowodowało utworzenie w strefie przetopionej zupełnie odmiennej, jednorodnej struktury martenzytu listwowego (o grubości ~ l ~m) zgrupowanego w pakietach (rys.4b). Po hartowaniu objętościowym stali N9E ujawniono strukturę martenzytu iglastego i austenitu szczątkowego (rys.4c). Po hartowaniu laserowym w strefie przetopionej tworzyła się strukturę martenzytu iglastego na tle austenitu szczątkowego (rys.4d), natomiast w strefie hartowanej ze stanu stał ego - pakiety martenzytu listwowego wewnątrz ziarn byłego austenitu. W próbkach odpuszczanych po hartowaniu zachodziło wydzielanie się węglika E a następnie jego przemiana w cementyt. Wydzielenia cementytu w postaci bardzo drobnych (poni żej l~). sferoidalnych cząstek obserwowano główni e w stali N9E odpuszczanej w temperaturze 350 i 450 C (rys. 5).
181 Rys. 4. Struktura stali 15 (a,b) i N9E (c,d) po hartowaniu objętościowym i laserowym) Badania mikrotwardości po hartowaniu laserowym wykazały największy wzrost mikrotwardości w stali N9E. Mikrotwardość stali 15 oraz N9E hartowanych laserowo i odpuszczanych w temperaturze 250 "C, 350 oc i 450 C przedstawiono na rys. 6 i 7.
182 a) hartowanie laserowe + odpuszczanie w temperaturze 250 "C d) hartowanie laserowe + odpuszczanie w temperaturze 250 oc b) hartowanie laserowe + odpuszczanie w temperaturze 350 "C e) hartowanie laserowe+ odpuszczanie w temperaturze 350 oc c) hartowanie laserowe+ odpuszczanie w temperaturze 450 "C f) hartowanie laserowe + odpuszczanie w temperaturze 450 oc Rys. S. Struktury stali l S (a, b, c) i N9E (d, e, t) po hartowaniu laserowym i odpuszczaniu w temperaturze 250 "C, 350 oc i 450 C
183 l() ~ ~ 600 550 500 450 :li 400 o "E 350 ~ e 300..>< 250 :E 200 150..........,... :"": -- harto"""a lascro\10 hart. l=r. i oq,. w250 'C...:..-:~~:-:-...~...,.. ~""..... :... :.~:.~~""'~-..-~':'t: :~:~i;::'f:::': :':~. 100 0,0 0,2 0,4 0,6 0.8 1,0 1,2 Odległość od pov..ierzchni, mm 1,4 1,6 Rys. 6. Mikrotwardość stali 15 hartowanej laserowo i odpuszczanej w temperaturze 250 C, 350 C oraz 450 C 900 --hart o~ a lasero \W 800 -----hart. Jaser. i odp. w250 ' C "' o. o 600 > :r:: u 500 ~ "E 400 "' ~ o ~ 300 :E 200 V) 700 100 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 l,4 l,6 O dległ o ść od powierzchn~ mm Rys. 7. Mikrotwardość stali N9E hartowanej laserowo i odpuszczanej w temperaturze 250 C, 350 C oraz 450 C
184 W warstwie powierzchniowej stali 15 po hartowaniu laserowym uzyskano mikrotwardość 450-500 HV0,065 do gł~bokoś ci "' 0,4 mm, a w stali N9E 700-800 HV0,065 do gł~bokości "' 0,8 mm. Zestawienie wyników b adań mikrotwardości obj~tośc i owo hartowanych i odpuszczanych próbek oraz wyników badań mikrotwardości laserowo hartowanych i odpuszczanych próbek stali 15 i N9E przedstawiono na rys. 8. 1~,--------------,------------------------------. Gil!W- hart i odp. w 450 c 900 ~-ha rt i odp. w 350 c hart i odp. w 250 c 800 hartowana Hurtowwm 700 600 500 400 300 200 Harto wana obj<;tościowo Hartowana laserowo 100 o stal 15 Gatunek stali stal N9E Rys. 8. Mikrotwardość stali 15 i N9E po hartowaniu obj~tościowym i laserowym oraz odpuszczaniu w temperaturze 250 C, 350 C i 450 C 5. Podsumowanie Hartowanie laserowe pozwala na zasadnicze zmiany struktury właściwości stali w porównaniu z hartowaniem konwencjonalnym. Po hartowaniu stali 15 w strukturze występował martenzytu listwowego zgrupowany w pakietach (rys.4b) o twardości 450-500 HV0,065. W stali N9E ujawniono strukturę martenzytu iglastego i austenitu szczątkowego (rys.4d). Twardość próbek hartowanych laserowo i odpuszczanych była większa o ok. l 00 HV0,065 w stali 15 i o 30-100 HV0,065 w stali N9E niż w próbkach hartowanych obj<(tościowo (rys. 8).
Uł5 Literatura l. A. Bylica, S. Adamiak: Hartowanie laserowe stopów żelaza; VI Sympozjum Techniki Laserowej; Szczecin - Świnoujście; wrzesień 1996 2. A. Bylica, S. Adamiak: Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości stopów Fe-C; VIII Krajowa Szkoła Optoelektroniki nt. Laserowe Technologie Obróbki Materiałów; Gdańsk - Wyspa Sobieszewo, 121-134, czerwiec 1994 3. J. Kusiński: Zastosowanie promienia laserowego w technologii modyfikacji warstwy wierzchniej materiału ; VJJJ Krajowa Szkoła Optoelektroniki nt. Laserowe Technologie Obróbki Materiałów ; Gdańsk- Wyspa Sobieszewska, 13-28, czerwiec 1994 4. A. Bylica, S. Adamiak, B. Zapal, J. Rysz: Wpływ węgla na strukturę i własności stopów żelaza po obróbce łaserem YAG:Nd; Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych - teoria i efekty użytkowe; Rzeszów, 251-258, 1993 5. A. Bylica, S. Adamiak, Z. Głowacki: Wpływ zawartości węgla na strukturę i mikrotwardość stopów Fe-C po obróbce laserowej; Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych - teoria i efekty użytkowe; Rzeszów, 269-276, 1993 6. W. Zielecki, J. Marszałek: Konstytuowanie warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego Zs50007 wiązką laserową; Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych - teoria i efekty użytkowe; Rzeszów, 239-244, 1993 7. W. Prochorenko, E. Pleszakow, S. Szwaczko: Wpływ obróbki laserowej na ścieralność narzędzi żeliwnych do prasowania masy szklanej; II sympozjum nt. Wpływ obróbki laserowej na struktul( i właściwości materiałów ; Rzeszów 41-50, 1994 8. A. Dubik: Zastosowanie laserów; WNT; Warszawa 1991 9. J. Kusiński: Zmiany struktury i własności mechanicznych stali pod wpływem obróbki laserowej; Metalurgia i Odlewnictwo; AGH, Kraków 1989 10. T. Burakowski, T. Wierzchoń: Inżynieria powierzchni metali; WNT, Warszawa 1995 II. K. Przybyłowicz: Metaloznawstwo; WNT; Warszawa 1992