Andrzej BYLICA, Andrzej Dziedzic Instytut Techniki, WSP Rzeszów Ul. Rejtana 16 A, Rzeszów

30/42 Solidification of Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 P AN-Katowice, PL ISSN 0208-9386 WPŁYW PARAMETRÓW OBRÓBKI LASEROWEJ I KONWENCJONALNEJ NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI STALI SZYBKOTNĄCEJ SW7M Andrzej BYLICA, Andrzej Dziedzic Instytut Techniki, WSP Rzeszów Ul. Rejtana 16 A, 35-310 Rzeszów l. WSTĘP Stale szybkotnące są dominującym materiałem stosowanym na narzędzia (frezy, wiertła, przeciągacze) do obróbki materiałów. 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 stali przy zachowaniu ciągliwości rdzenia. W przypadku obróbki laserowej gęstość mocy (energii) i czas oddziaływania promieniowania laserowego na materiał ma decydujący wpływ na grubość oraz strukturę, a tym samym własności warstwy wierzchniej. Dla stali szybkotnących po hartowaniu laserowym korzystne jest przeprowadzenie odpuszczania, które powoduje zwiększenie twardości oraz pozwala zmniejszyć wartość naprężeń hartowniczych. Właściwy dobór parametrów obróbki laserowej i konwencjonalnej może w konsekwencji prowadzić do zwiększenia trwałości eksploatacyjnej narzędzi. Od kilku lat prowadzone są badania dotyczące wpływu parametrów niekonwencjonalnej obróbki cieplnej, w tym obróbki laserowej na własności warstwy wierzchniej stali szybkotnącej, jednak z analizy literatury [1-11] wynika, iż brakjest danych bądź dane są niejednoznaczne jeżeli chodzi o: wpływ obróbki cieplnej przed obróbką laserową na własności stali,

276 wpływ parametrów obróbki laserowej na przemiany fazowe zachodzące podczas odpuszczania stali w czasie nagrzewania, wytrzymania i c hłodzenia (w tym przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt), wpływ temperatury odpuszczania po obróbce laserem na twardość strefy przetopienia, wpływ parametrów obróbki laserowej i konwencjonalnej na trwało ść eks pl oatacyjną narzędzi. W związku z powyższym celem pracy jest określenie wpływu parametrów obróbki konwencjonalnej i laserowej (rodzaju pracy lasera, gęstości mocy lasera, czasu oddziaływania, temperatury odpuszczania) na strukturę, twardość, trwałość eksploatacyjną oraz przemiany fazowe zachodzące podczas procesu odpuszczania stali SW7M przetopionej laserem. 2. MATERIAL I METODYKA BADAŃ Materiał do badar1 stanowiła stal szybkotnąca SW7M (o składzie jak w tablicy l) w stanie: wyżarzonym, wyżarzonym i hartowanym objętościowo zgodnie z PN-77 /H-85022 z temperatury 1220 C. Tablica l. Skład chemiczny stali SW7M użytej do badań c M n S i p s Cr w V Mo Ni C u Co 0.86 0.36 0.33 0.03 0.02 4.16 6.35 2.0 4.9 0.14 0.16 0.07 Stal obrobiono laserem C0 2 w IPPT PAN w Warszawie wg parametrów: P 1 =2 kw (moc lasera), v 1 =1 cm/s (prędkość skanowania), <j> 1 =2,83 mm (średnica wiązki), ql=32 kw/cm 2 (gęstość mocy), P 2 =1 kw, v 2 =2 cm/s, <1>2=2,83 mm, q 2 =16 kw/cm 2 oraz laserem Y AG: Nd+ 3 na Politechnice Lwowskiej wg parametrów: E 1 =24J (energia lasera), 't 1 =4-6 ms (czas oddziaływania), <j> 1 =1,8 mm (średnica plamki), ql=l,9 kw/cm 2 (gęstość mocy), E 2 =28J, 't 2 =4-6 ms, <1>2=1 mm, q 2 =7,1 kw/cm 2. Po obróbce laserowej stal dwukrotnie odpuszczano (2x2godziny) w temperaturach z zakresu: 470-620 C. Przeprowadzono badania: metalograficzne na mikroskopie Neophot 2, skaningowym Tesla BS-340, translllisyjnym Philips CM-20, pomiary mikrotwardości HV0,065, badania dylatometryczne, mikroanalizę rentgenowska i rentgenowską analizę fazową, ilościową analizę składników struktury na mikroskopie świetlnym Neophot 2 z zastosowaniem komputerowego systemu analizy obrazu Multiscan, badania fraktograficzne oraz badania trwałości ostrza (w przypadku lasera o pracy ciągłej badania przeprowadzono na płytkach nożowych wykonanych zgodnie z PN-75/M-18001 SNGN - wymiar 190412, wyznaczając prędkość skrawania oraz drogę skrawania do momentu wykruszenia się ostrza natomiast w przypadku lasera o pracy impulsowej badania przeprowadzono na nożach tokarskich).

277 3. BADANIA WŁASNE W wyniku obróbki laserem C02 stali szybkotnącej SW7M z gęstością mocy 16 i 32 kw/cm 2 uzyskano strefę przetopienia o głębokości 0,4-0,8 mm. Strukturę strefy przetopienia stanowiły przy powierzchni komórki dendrytyczne i nieco niżej kryształty kolumnowe. Wewnątrz komórek, jak ujawniła rentgenowska analiza fazowa znajdował się martenzyt, austenit szczątkowy i węgliki M 6 C, M 7 C3, M2C, M23C6. Przestrzeń międzydendrytyczną wypełniała eutektyka, której udział stanowił 21-37%. Największą twardość strefy przetopienia ok. 1450 HV0,065, uzyskano przetapiając stal, w stanie wyżarzonym, laserem co2 z gęstością mocy 32 kw/cm 2 i odpuszczając ją po obróbce laserem 2x590 C (rys. 1-2). W wyniku obróbki laserem co2 stali hartowanej objętościowo twardość strefy przetopienia wynosiła ok. 1250 HV0,065 i dalsze przeprowadzenie odpuszczania nie spowodowało jej wzrostu (rys. 3). Rys. l. Przykład rozkładu mikrotwardości HV0,065 stali SW7M wyżarzonej, obrobionej laserem co2 i odpuszczanej w funkcji odległości od powierzchni naświetlon ej laserem OL--------L----L--------L----L- 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Odległość od powerzchni, rrm Stal SWTM obrobiona la9i!rem CO, z gę!loś::iąmocy: D 16kW/an 2 32 kw/ an 2 1600----------------L_-- ci 1400 j: 1200 () (f) o 1000 "O 800 jz 600 400 Rys.2. Mikrotwardość stali SW7M wyżarzonej a następnie obrobionej laserem co2 oraz odpuszczanej 200

278 mikrotwardoś; w strefie 0-250!1m od powierzchni naśr.ietlonej larerem - mikotv.ardoś; w strefie 250-600m od powierzchni naśr.ietlonej laserem L{) 8 1200 ó i: 1000 U - "O...... 800 Rys.3. Mikrotwardość stali SW7M wyżarzonej i hartowanej objętościowo a następnie obrobionej laserem C0 2 oraz odpuszczanej Stal SVV7Moorobiona laserem zgęstośdąmocy 16 'rn\1/ an 2 W wyniku przeprowadzonych badań dylatometrycznych opracowano wy k resy wspó ł czynnika cieplnej l.. l dl f.. rozszerzalności miowej a =- - w unkcji l dt temperatury odpuszczania (rys.4-5) oraz temperatury przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt Ms' podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania (rys.6-8). a) b) xi0- u 6 c 24 ;:::; 24 d' d' :.> V> o 20 20 o..5..5 16 <e N t.: <> 16 N V> N 2 12 o. l "' N 8 12 :/'J 8 L-..._...... _.,. J 100 200 300 400 500 600 o 100 200 300 400 500 600 temperatura odpuszczania, C temperatura odpuszczani a, C RysA. Współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej stali SW7M a) hartowanej konwencjonalnie (prędkość nagrzewania 0,27 C/s); b) wyżarzonej i przetopionej laserem C0 2 (prędkość nagrzewania 0,27 C/s); l-pierwsze odpuszczanie, 2-drugie odpuszczanie

279 :<5 12 \ c.. 11 c----------------------- 31 90 148 207 266 325 383 442 500 560 Temperatura, C Rys.5. Współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej stali SW7M hartowanej konwencjonalnie i przetopionej laserem C0 2 z gęstością mocy 16 kw/cm 2 podczas pierwszego odpuszczania 1 -krzywa chłodzenia L=f(T) -1 2- pochodna krzywej chłodzenia x10 l-,-------------------- ----, :s 2,86 'O ctl 2,18..:::,,L---- -- o 1,48.c u g_ 0,80 0,12 150 [ 100 - Q) -N 50 : 0-1070200300-4070500600 0 temperatura T, C...J Rys.6. Przykład wyznaczania temperatur przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania Jak widać na rys. 7-8 temperatura Ms' podczas drugiego odpuszczania jest wyższa od temperatury M' s podczas pierwszego odpuszczania co spowodowane jest większym zubożeniem austenitu szczątkowego w węgiel (węgiel dyfunduje wskutek wyrównania potencjału chemicznego z austenitu do martenzytu zubożonego w ten pierwiastek w wyniku wydzielania w nim węglików stopowych), widać równi eż, że temperatury przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt w przypadku obróbki laserem z gęstością mocy 32 kw/cm 2 są ni ższe niż w przypadku zastosowania mniejszej gęstości mocy - \6 kw/cm 2, co spowodowane jest większym udziałem austenitu szczątkowego w strefie przetopienia stali obrobionej większą gęstością mocy (potwierdzają to aktualnie prowadzone badania analizy ilościowej składników struktury z wykorzystaniem systemu analizy obrazu Multiscan).

280 $? 400 l pierwsze odpuszczanie l drugie odpuszczanie Stal SWTM obrobiona la!erem [ Stal SWTM obrobiona la!erem r z gęstoś:ią rnoo,r 16 WIJ/ crrt z gęstoś:ią mocy 32 WIJ/ crrf [ Rys.7. Temperatury przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania stali SW7M wyżarzonej i przetopionej laserem co2 $? <l) 400 ::l i!! 2ł. 350 300 100-------------------------- 250 200 150 100 560 590 560 590 Temperatura odpuszczania, C l. pierwsze odpuszczanie l drugie odpuszczanie Stal SWTM obrobiona la!erem l Stal SWTM obrobiona la!erem l z gęstoś:ią rnoo,r 16 WIJ/ crrt.. z gęstoś:ią rnoo,r 32 WIJ/ crrf...:... ; : :...!"l......... '. '. ' ' '. '.. t I. r l l ' '... '... '. '. ', - -,- r,... ' ' ' ' '. '. r : : : j : : }: : : '... r....,.f f : ' ::l" '. '.............:....:.... J f... :.... :...:... ' ' l '... '. ' '. l. i. i. 1 :........... 470 500 530 560 590 620 470 500 530 560 590 620 Temperatura odpuszczania, C Rys.8. Temperatury przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania stali SW7M przetopionej laserem co2 po wyżarzaniu i hartowaniu konwencjonalnym Badania trwałości ostrza po obróbce laserem C0 2 prowadzono tocząc powierzchnię czołową tarczy ze normalizowanej stali 45, o średnicy zewnętrznej Dz=220 i wewnętrznej Dw=25. Płytki nożowe obrobiono wiązką lasera na powierzchni przyłożenia i natarcia (rys.9) i mocowano w nożu oprawkowym. LASERC02 Rys.9. Kształt i sposób naświetlenia płytek nożowych użytych do badań trwałości ostrza

281 Badano następujące płytki: hartowane konwencjonalnie (z temperatury 1220 C) oraz odpuszczane w temperaturze zapewniającej maksymalną mikrotwardość 560 C, hartowane konwencjonalnie i naświetlane laserem co2 z gęstością mocy 32 kw/cm 2 oraz odpuszczane w temperaturze 560 C. Badania prowadzono przy następujących parametrach skrawania: n=224 obr/min, p=0,24 mm/obr, g =0,5 mm. Toczenie realizowano do momentu zniszczenia ostrza. Za miarę zużycia ostrza przyjęto drogę skrawania Lk do momentu wykruszenia się ostrza. E 100 - c 80 C1l J2 m 60 C1l Ol o -o 40 C1l c: 20 <f) Rys. 10. Porównanie średniej drogi skrawania płytek nożowych wykonanych ze stali SW7M obrobionych konwencjonalnie oraz zahartowanych laserem co2 Stal SW7M hartowana konwencjonalnie i odpus=na 2 x560 CC StaiSW7M hartowana laserem co2 i odpus=na 2 x560 CC Trwałość ostrza noży ze stali SW7M hartowanej konwencjonalnie a następnie naświetlanej laserem C0 2 z gęstością mocy 32 kw/cm 2 i konwencjonalnie odpuszczanych jest o ok. 18% niższa od trwałości ostrzy wykonanych ze stali hartowanej konwencjonalnie oraz odpuszczanej w temperaturze 560 C (rys. l 0). Spadek trwałości noży tokarskich obrobionych laserem spowodowany był dużą kruchością strefy przetopienia - konsekwencją czego było wykruszanie się ostrza. Badania fraktograficzne ujawniły, iż strefę przetopioną stali SW7M obrobionej laserem C0 2 z gęstością mocy 16 i 32 kw/cm 2 charakteryzował przełom międzykrystaliczny z widocznymi komórkami dendrytycznymi oraz kryształami kolumnowymi. W strefie wpływu ciepła oraz w materiale rodzimym dominował przełom transkrystaliczny ciągliwy, który charakteryzował szereg wgłębień i wzmes1en utworzonych w wyniku odkształceń plastycznych. Miejscami obserwowano również przełom transkrystaliczny łupliwy. Przeprowadzenie odpuszczania w temperaturze z zakresu 470-620 C nie wpłynęło znacząco na charakter przełomu.

282 Badania trwałości ostrza noży tokarskich po obróbce Jaserem impulsowym prowadzono tocząc wzdłużnie powierzchnię walca ze stali normalizowanej stali 45, o średnicy 35 i długości 1000. Noże tokarskie obrobiono na powierzchni przyłożenia i natarcia. Badano następujące noże: hartowane i odpuszczane konwencjonalnie, obrobione laserem: a) E,=21J, -r,=4-6 ms, <!> 1 =1,8 mm, q 1 =1,7 kw/cm 2, b) E2=24J, 't2=4-6 ms, <!>2=1,8 mm, q 2 =1,9 kw/cm 2, c) E3=28J, 'tj=4-6 ms, <!>3=1 mm, q3=7,1 kw/cm 2. odpuszczane w temperaturze 560 i 590 C, Wyniki badań zestawiono na rys. 11. E.!!1 c... rn (/) rn 300 250 g> 200 -c rn 150 c: 100 (/) Trwałoić noży tolarsodl ze otali SW/M c::::::j uleps20nydl kmv.enqonalnie c::::::j przetopionych laserem impulsowym fb przetopionych laserem impuloov.ym oraz odpu=zanych 2l<560 C -przetopionych laserem impuloov.ym oraz odpu=zanych 2l<590 C Rys. 11. Średnia droga skrawania stali SW7M hartowanej objętościowo i przetopionej laserem YAG:Nd+ 3 50 1,7 1,9 7,1 Gęstość rrocy lasera, kw/cm 2 PODSUMOW ANIE Stosując obróbkę laserem C0 2 zahartowanej objętościowo stali szybkotnącej SW7M z gęstością mocy 16 i 32 kw/cm 2 uzyskujemy strefę przetopienia o twardości z zakresu 1100-1200 HV0,065, której strukturę tworzą komórki dendrytyczne oraz kryształy kolumnowe, jednak trwałość ostrzy tak obrobionej stali jest ok. 20% niższa od ostrzy noży obrobionych cieplnie w sposób konwencjonalny. Zastępując laser C0 2 laserem impulsowym Y AG: Nd+ 3 i stosując parametry jak w pracy uzyskujemy ok. 60% wzrost trwałości ostrzy noży.

283 LITERATURA l. Debrzański L., Hajduczek E., Marciniak J., Nowosielski R.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych, WNT, Warszawa, 1990. 2. Kusiński J, Przybyłowicz J., Kąc S., Woldan A.: Kształtowanie struktury i własności materiałów w wyniku laserowego przetapiania warstwy wierzchniej oraz natapiania, Hutnik- Wiadomości Hutnicze, nr 5, 1999. 3. Kusiński J, Łukawski G., Twardowska A., Przybyłowicz K.: Zmiana właściwości i struktury stali SW18 w stanie lanym w wyniku laserowego przetopienia, Krzepnięcie metali i stopów, PAN, nr 27, 1996. 4. Kusiński J.: Modyfication of structure and properties of materials by laser surface processing, Laser Technology V : Applications in Materials Sciences and Engineering, Proceedings of SPIE, vol. 3187, pp. 2-14, 1996. 5. Major B., Elber R.: Konstytuowanie warstwy wierzchniej tworzyw metalowych na drodze obróbki laserowej, IP, nr l, 1996. 6. Przybyłowicz K., Depczyński W., Konieczny M.: Wpływ gęstości mocy promieniowania laserowego na strukturę i własności lanej stali szybkotnącej, IM, nr 5, 1999. 7. Serzysko J., Sokołow K. N.: Struktura i własności stali typu SW po laserowej obróbce cieplnej, Mechanik, nr 7-8, str. 269-271, 1990. 8. Straus J, Szylar L.: Niektóre problemy laserowej obróbki cieplnej stali narzędziowych na przykładzie stali SW7M, MOCIP, str. 23-28, 1987. 9. Zielecki W., Marszałek J. : Stan warstwy wierzchniej i badania zużycia ostrzy ze stali SW7M obrobionej wiązką laserową, Krzepnięcie metali i stopów, PAN, nr 27, 1996. 10. Kowalenko W., Wierchoturow A., Gołowko L., Podczernajewa 1.: Lazernoje i elektronno-erozyjnaje uprocznienie materiałow, lzdatielstwo Nauka, Moskwa, 1986. 11. Ugołow A. A. : Lazarnaja obrabotka instrumentalnych stalej, Fizyko i chimija obrabotki materiałow, nr 3, 1986.