5/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 22, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 22, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN 1642-538 LASEROWE UMACNIANIE STALI NIESTOPOWYCH A. BYLICA 1, S. ADAMIAK 2 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski 35-31 Rzeszów, ul. Rejtana 16a STRESZCZENIE W pracy przedstawiono badania wpływu parametrów obróbki laserowej oraz ko n- wencjonalnej po hartowaniu laserowym na strukturę, mikrotwardość i odporność trib o- logiczną stali 15, 45 i N9E. Przetopienie stali wiązką laserową zmienia w istotny sposób własności warstwy wierzchniej. W stali 15 otrzymano martenzyt listwowy natomiast w stali 45 i N9E martenzyt płytkowy i austenit szczątkowy. Mikrotwardość po hartowaniu laserowym wynosiła do 1 HV,65 natomiast odporność na zużycie ścierne była 6 razy większa niż próbek niehartowanych. Key words: laser hardening, martensite, microhardness, abrasion resistance 1. WSTĘP Zasadniczą zaletą obróbki laserowej jest możliwość uzyskania bardzo dużej szybkości nagrzewania i chłodzenia materiału, zapewniającej tworzenie się struktur znacznie odbiegających od tych jakie możemy uzyskać na drodze konwencjonalnego hartowania - szczególnie w stalach niskowęglowych. Przetopienie wierzchniej warstwy materiału przyśpiesza procesy dyfuzji które w połączeniu z intensywnym mieszaniem się cieczy prowadzą do ujednorodnienia rozkładu węgla i innych pierwiastków stopowych w otrzymanym roztworze. Podczas gwałtownej krystalizacji nie zawsze zdążą się one wydzielić prowadząc do znacznego umocnienia obrabianej warstwy. Struktura oraz właściwości użytkowe warstwy wierzchniej podczas laserowej obróbki 1 prof. zw. dr hab. inż., e-mail: bylica@univ.rzeszow.pl 2 dr, e-mail: sadamiak@univ.rzeszow.pl 43
cieplnej kształtowane są przez parametry wiązki laserowej, stan obrabianej powierzchni czy właściwości materiału obrabianego. Dodatkowo przeprowadzenie konwencjonalnej obróbki cieplnej powoduje kolejne zmiany w strukturze i właściwościach warstwy wierzchniej. Dlatego ostateczny wynik obróbki laserowej zależy od optymalnego doboru i wzajemnego oddziaływania wszystkich wyżej wymienionych czynników. Należy jednak podkreślić, że złe dobranie parametrów obróbki laserowej do danego wyrobu może nie przynieść oczekiwanych efektów poprawy właściwości materiału. W pracy przedstawiono podsumowanie badań prowadzonych przez autorów w ostatnich latach nad wpływem parametrów obróbki laserowej, obróbki konwencjonalnej po hartowaniu laserowym czy stosunku masy materiału nagrzanego laserowo do całkowitej zimnej masy próbki na zmiany struktury, mikrotwardości, odporności trib o- logicznej niestopowych stali konstrukcyjnych i narzędziowych. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Wpływ hartowania laserowego na strukturę i mikrotwardość stali Podczas laserowej obróbki z przetopieniem stali 15 w wyniku ujednorodnienia zawartości węgla w przetopionym jeziorku oraz dużego przechłodzenia roztworu ciekłego poprzez gwałtowne odprowadzenie ciepła przez zimny rdzeń powstaje struktura o dużej dyspersji. Mikrostrukturę strefy przetopionej tworzą kryształy niskowęglowego martenzytu listwowego o twardości do 6 HV,65 (rys.1a). W strefie przejściowej stali 15 krótki czas nagrzewania materiału podczas obróbki laserowej oraz szybkie chłodzenie, a tym samym maksymalne skrócenie czas u dyfuzji węgla w austenicie wpływa na stopień ujednorodnienia austenitu. Jednorodną strukturę martenzytyczną w tej strefie otrzymano tylko w warstwie położonej bezpośrednio pod strefą materiału przetopionego gdzie temperatura była na tyle wysoka, że nastąpiło dyfuzyjne ujednorodnienie zawartości węgla w austenicie. W głębszych warstwach obszarów poddanych obróbce laserowej, czas austenityzacji oraz szybkość dyfuzji węgla pozwala na ujednorodnienie austenitu powstałego w ziarnach perlitu o zawartości ok.,8% C, natomiast z ferrytu tworzy się austenit niskowęglowy. Po schłodzeniu powstaje struktura martenzytyczna z zachowanymi granicami rozdziału pomiędzy fazami byłego ferrytu i perlitu. W ziarnach ferrytu położonych pod strefą przetopioną następuje zanikan ie struktury równoosiowej i tworzy się relief. Cechą charakterystyczną martenzytu powstającego z byłego perlitu jest bardzo duża dyspersja (większa niż w strefie przetopionej) oraz twardość dochodzącą do 1 HV,65 spowodowana znacznym przesyceniem go w węgiel. W stali 45 w strefie przetopionej występował martenzyt o twardości osiągającej 85 HV,65 oraz austenit szczątkowy (rys. 1b). Mikrotwardość martenzytu w strefie wpływu ciepła była większa niż w strefie przetopionej i osiągała nawet 1 HV,65 podczas obróbki laserem o gęstości mocy 1,6 1 4 W/cm 2. W stali N9E podczas krystalizacji na granicach ziaren tworzyła się siatka cementytu, wewnątrz występował martenzyt 44
ARCHIWUM ODLEWNICTWA i austenit szczątkowy (rys. 1c) którego znaczne ilości w strefie przetopionej wpływały na zmniejszenie mikrotwardość tej strefy w stosunku do materiału nieprzetopionego. a) b) c) Rys. 1. Mikrostruktura stali po przetopieniu laserem z gęstością mocy 3,2 1 4 W/cm 2, prędkość skanowania wynosiła,2 m/s a) stal 15, b) stal 45, c) stal N9E Fig. 1. Microstructure of steel 45 remelted with laser at power densities 3,2 1 4 W/cm 2 and scaning speed,2 m/s, a)steel 15, b) steel 45, c) steel N9E Wydłużenie czasu austenityzacji poprzez zmniejszenie prędkości skanowania p o- wierzchni podczas obróbki laserem ułatwia zachodzenie procesów dyfuzji węgla w austenicie, a tym samym przyczynia się do jego ujednorodnienia. Na wzrost szybkości dyfuzji węgla podczas austenityzacji wpływa bardzo silnie temperatura, do której jest nagrzewany materiał. Zależy ona przede wszystkim od gęstości mocy wiązki laserowej oraz współczynnika absorpcji. Z drugiej strony małe prędkości skanowania czy zbyt wysoka temperatura podczas obróbki laserem o pracy ciągłej prowadzą do zmniejszenia szybkości chłodzenia a tym samym uzyskania mniejszej twardości struktury oraz odporności na ścieranie, co potwierdziły dalsze badania. Do obserwacji fraktograficznych w próbkach nacięto karb typu V, następnie próbki łamano obciążeniem udarowym. Po obróbce laserowej stali wystąpiły istotne zmiany w procesie pękania zarówno w strefie materiału przetopionego jak i wpływu ciepła. W materiale nie hartowanym (rdzeniu próbki) wystąpił przełom transkrystaliczny łupliwy (rys. 2d) z silnie zarysowaną linią rzek i dorzeczy, natomiast po obróbce laserowej 45
mamy do czynienia z przełomem międzykrystalicznym. W strefie przetopionej w płaszczyznach równoległych do kryształów kolumnowych występowało pękanie międzykrystaliczne po granicach ziaren powstających podczas krystalizacji stopu, w płaszczyznach poprzecznych do osi kryształów kolumnowych obserwowano pękanie międzykrystaliczne jak i transkrystaliczne (rys. 2a). W strefie wpływu ciepła występował przełom międzykrystaliczny zachodzący po granicach ziaren byłego austenitu (rys. 2b,c). Bezpośrednio pod dnem przetopienia w miejscach lokalnego przegrzania materiału obserwowano rozrost ziaren austenitu do wielkości 2-4 m (rys. 2b) i były one czterokrotnie większe niż w głębszych warstwach strefy wpływu ciepła (5-1 m) - rys. 2c. Przeprowadzenie odpuszczania do temperatur 65 o C nie spowodowało istotnych zmian w mechanizmie pękania materiału w strefie przetopionej i wpływu ciepła. a) b) c) d) Rys. 2. Przełom stali 45 po hartowaniu laserem CO 2 z gęstością mocy 3,2 1 4 W/cm 2, prędkość skanowania,1 m/s. a) strefa przetopiona, b) strefa wpływu ciepła (pod dnem przetopienia), c) strefa wpływu ciepła, d) rdzeń próbki Fig. 2. Fractures of steel 45 remelted with CO 2 laser at power densities 1,6 1 4 W/cm 2 and scaning speed,1 m/s, a) remelted zone, b) heat-affected zone, c) heat-affected zone, d) matrix substrates 46
Mikrotwardość, HV,65 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Laserowe hartowanie prowadziło do zwiększenia mikrotwardości struktury stali N9E do 83 HV,65 w strefie przetopionej i 9 HV,65 w strefie wpływu ciepła (rys.3). strefa przetopiona strefa wpływu ciepła 8 6 4 2 15 1 45 2 3N9E Gatunek stali Rys. 3. Wpływ obróbki laserowej na mikro-twardość stali niestopowych. Gęstość mocy 3,2 1 4 W/cm 2, prędkość skanowania 2 m/s Fig. 3. The effect of the laser-beam on the microhardness carbon steel. Power density 3,2 1 4 W/cm 2, scaning speed,2 m/s Podczas hartowania stali niskowęglowych laserem o pracy ciągłej i przy zastosowaniu dużej gęstości mocy mikrotwardość strefy przetopionej jest większa niż strefy wpływu ciepła. Natomiast w stali 45 i N9E mikrotwardość w strefie wpływu ciepła była większa o około 8-1 HV,65 od strefy przetopionej. 2.2. Wpływ wielkości próbki poddanej obróbce laserowej na strukturę i właściwości warstwy wierzchniej Określenie wpływu stosunku masy próbki nagrzanej laserowo do całkowitej zimnej masy próbki na strukturę i mikrotwardość wykonano na próbkach stali 45 o kształcie prostopadłościanu i wymiarach poprzecznych 1x1, 8x8, 6x6, 4x4 mm. Tak przygotowane próbki hartowano z przetopieniem za pomocą lasera CO 2 stosując gęstość mocy 3,2 1 4 i 1,6 1 4 W/cm 2. Wraz ze zwiększaniem wymiarów poprzecznych próbki poddanej obróbce laserowej następuje zwiększenie szybkości chłodzenia w wyniku odprowadzenia ciepła przez zimny rdzeń materiału, co prowadzi do zmniejszenia pola powierzchni oddziaływania laserowego (pole powierzchni materiału przetopionego i strefy wpływu ciepła mierzone na zgładzie prostopadłym do powierzchni naświetlonej laserem) - tabela 1. Na wielkość pola powierzchni oddziaływania laserowego, a tym samym na właściwości mechaniczne decyd u- jący wpływ wywiera również moc lasera z jaką przeprowadza się obróbkę laserową. Za- 47
Strefa materiału obrobionego, mm 2 stosowanie bardzo dużej mocy lasera powoduje dostarczenie do wierzchniej warstwy materiału znacznej ilości energii cieplnej prowadzącego do spadku szybkości chłodzenia materiału, zwiększenia pola powierzchni oddziaływania laserowego oraz zmiany właściwości mechanicznych warstwy wierzchniej. Tabela 1. Wielkość strefy materiału obrobionego laserowo w stali 45 z uwzględnieniem różnej gęstości mocy lasera oraz różnych przekrojów poprzecznych badanego materiału Table. 1. Size of zone influence laser beam of in steel 45 for difference power density and volume treated materials Przekrój poprzeczny Gęstość mocy lasera 1,6 1 4 W/cm 2 3,2 1 4 W/cm 2 próbki, szerokość głębokość pole powierzchni a h wierzchni szerokość głębokość pole pomm a h mm mm mm 2 mm mm mm 2 1 x 1 3,32,85 1,92 3,9,95 2,54 8 x 8 3,43,89 2,15 4,15 1,13 3,27 6 x 6 4,37,91 2,76 4,71 1,28 4,22 4 x 4-1,1 - - 1,43-5 4 gęstość mocy 1,6x1 4 gęstość mocy 3,2x1 4 3 2 1 6 x 6 8 x 8 1 x 1 Przekrój poprzeczny próbki, mm Rys. 4. Wielkość strefy materiału obrobionego laserowo w stali 45 z uwzględnieniem różnej gęstości mocy lasera dla różnych przekrojów poprzecznych badanego materiału Fig. 4. Size of zone influence laser beam of in steel 45 for differente power density and volume treated materials 48
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Stosunek pola powierzchni oddziaływania laserowego do całkowitego pola p o- wierzchni obrabianej próbki wywiera istotny wpływ na strukturę strefy przetopionej i wpływu ciepła oraz jej mikrotwardość. W próbce o wymiarach 1x1 mm w strukturze strefy przetopionej występował martenzyt i austenit szczątkowy (rys. 5a) o mikro - twardości do 9 HV,65. Ze zmniejszeniem szybkości odprowadzania ciepła zmieniała się morfologia struktury i w próbce o wymiarach 4x4 mm występowała struktura przechłodzonego perlitu (rys. 5b) o mikrotwardości 4 HV,65. a) b) Rys. 5. Mikrostruktura stali 45 w po przetopieniu laserem z gęstością mocy 1,6 1 4 W/cm 2 i prędkości skanowania,1 m/s, a) próbka o wymiarach 1x1 mm, b) próbka o wymiarach 4x4 mm Fig. 5. Microstructure of steel 45 remelted with laser at power densities 1,6 1 4 W/cm 2 and scaning speed,1 m/s, a) materials 1x1 mm, b) materials 4x4m Zmiany mikrotwardości w badanych próbkach o różnych przekrojach są wynikiem różnej szybkości odprowadzania ciepła w głąb materiału. Im mniejszy jest przekrój próbki tym ciepło jest wolniej odprowadzane z powierzchni, na którą kierowana jest wiązka laserowa. Wolniejsze odprowadzanie ciepła powoduje, że zwiększa się zarówno strefa przetopiona, jak również strefa wpływu ciepła, a różnice w mikrotwardości poszczególnych stref zanikają (rys. 6). W próbkach o wymiarach 4x4 mm i 6x6 mm obrobionych z gęstością mocy 3,2 1 4 W/cm 2 mikrotwardość otrzymanej warstwy tylko nieznacznie przewyższa mikrotwardość materiału wyjściowego. 49
Mikrotwardość, HV,65 Mikrotwardość, HV,65 a) 12 1 próbka 1x1 mm próbka 8x8 mm próbka 6x6 mm próbka 4x4 mm b) 12 1 próbka 1x1 mm próbka 8x8 mm próbka 6x6 mm próbka 4x4 mm 8 8 6 6 4 4 2 2,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Odległość od powierzchni, mm,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Odległość od powierzchni, mm Rys. 6. Wpływ przekroju próbki poddanej obróbce laserowej na mikrotwardość. Stal 45 hartowana laserem z gęstością mocy a) 1,6 1 4 W/cm 2, b) 3,2 1 4 W/cm 2 Fig. 6. The effect of size materials remelted laser beam on microhardness. Steel 45 laser hardened with power density a) 1,6 1 4 W/cm 2, b) 3,2 1 4 W/cm 2 Mikrotwardość materiału po obróbce laserowej uzależniona jest również od gęstości mocy wiązki laserowej. W przeprowadzonych badaniach po hartowaniu z gęstością mocy 1,6 1 4 W/cm 2 uzyskano mikrotwardość struktury większą o około 1 HV,65 niż po hartowaniu z gęstością mocy 3,2 1 4 W/cm 2. Należy jednak podkreślić, że zastosowanie większej gęstości mocy prowadziło do utwardzenia materiału na większą głębokość (o około 2%). 5
Mikrotwardość, HV,65 po hartowaniu laserowym Mikrotwardość, HV,65 po hartowaniu laserowym 2.3. Odpuszczanie konwencjonalne po hartowaniu laserowym ARCHIWUM ODLEWNICTWA Wpływ temperatury odpuszczania na mikrotwardość stali hartowanej laserowo przedstawiono na rys. 7. W stali 15 największą mikrotwardość po hartowaniu laserowym posiadała struktura w strefie przetopionej - 6 HV,65. W strefie nieprzetopionej gdzie przeważała struktura ferrytyczno-martenzytyczna mikrotwardość była mniejsza o około 2 HV,65. Natomiast w stali 45 hartowanej laserem mikrotwardość strefy nieprzet o- pionej była o 12 HV,65 większa niż w strefie przetopionej. Mniejszą twardość warstwy przetopionej w stali po obróbce laserami o pracy ciągłej tłumaczy się przegrzaniem stali oraz wzrostem ilości austenitu szczątkowego w stosunku do strefy nieprzetopionej. W y- równanie mikrotwardości warstwy przetopionej i nieprzetopionej w stali 45 nastąpiło dopiero po odpuszczaniu w temperaturze 35 o C, po przemianie austenitu szczątkowego w martenzyt regularny. Badania wpływu obróbki laserowej i odpuszczania konwencjonalnego na odporność zużycia tribologicznego wykonano dla stali 15 i 45 w warunkach tarcia suchego na testerze T1M metodą tarcza-trzpień. a) 1 strefa przetopiona strefa nieprzetopiona b) 1 strefa przetopiona strefa nieprzetopiona 8 8 6 6 4 4 2 2 25 35 45 55 65 25 35 45 55 65 Temperatura odpuszczania, o C Temperatura odpuszczania, o C Rys. 7. Wpływ temperatury odpuszczania na mikrotwardość stali w strefie przetopionej oraz wpływu ciepła po hartowaniu laserem z gęstością mocy 1,6 1 4 W/cm 2 a) stal 15, b) stal 45 Fig. 7. The effect of tempering temperature on the microhardness of steel hardened with laser beam power density 1,6 1 4 W/cm 2 a) steel 15, b) steel 45 51
po normalizowaniu po hartowaniu laserowym po normalizowaniu po hartowaniu laserowym Zużycie, mg Zużycie, mg Obróbkę laserową realizowano z dwoma gęstościami mocy: 1,6 1 4 W/cm 2 i 3,2 1 4 W/cm 2. Po laserowym hartowaniu próbki odpuszczono w temperaturach od 25 do 65 o C. Należy podkreślić, że pomimo zmniejszania się odporności tribologicznej wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania (rys. 8a), to do temperatury 45 o C stal 15 jak i 45 zachowała wysoką odporność na ścieranie. a) 1 8 Gęstość mocy 1,6x1 4 W/cm 2 stal 15 stal 45 b) 1 8 Stal 45 gęstość mocy 1,6x1 4 W/cm 2 gęstość mocy 3,2x1 4 W/cm 2 6 6 4 4 2 2 25 35 45 55 65 Temperatura odpuszczania, o C 25 35 45 55 65 Temperatura odpuszczania, o C Rys. 8. Wpływ temperatury odpuszczania po laserowym hartowaniu na odporność tribologiczną w zależności od: a) gatunku stali, b) gęstości mocy wiązki laserowej Fig. 8. The effect of tempering temperature after laser hardened on abrasion resistance for example a) grade steel, b) power density of laser Wpływ gęstości mocy wiązki laserowej na zużycie ścierne stali 45 przedstawiono na rys. 8b. W próbkach nieodpuszczonych oraz odpuszczonych w temperaturze 25 i 35 o C większą odporność na ścieranie (podobnie jak i twardość) uzyskano po hart owaniu wiązką laserową z mniejszą gęstością mocy. Po odpuszczaniu w temperaturze powyżej 35 o C powyższe różnice zanikały. Obliczony współczynnik tarcia pomiędzy badaną próbką a przeciwpróbką dla wszystkich przebiegów wynosił od,65 do,75. 52
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. PODSUMOWANIE Morfologia struktury po obróbce laserowej zmieniała się w zależności od zawartości w stopie węgla oraz szybkości chłodzenia. W stali 15 powstawał martenzyt listwowy natomiast w stali 45 i N9E martenzyt płytkowy i austenit szczątkowy. W stali N9E na granicach ziaren pojawiła się siatka cementytu. Mikrotwardość struktury stali obrobionej laserowo wynosiła od 6 HV,65 (stal 15) do 9 HV,65 (stal N9E). W strefie przetopionej i wpływu ciepła dominowało pękanie miedzykrystaliczne ujawniające strukturę tworzącą się podczas krystalizacji pierwotnej stopu. Przeprowadzenie odpuszczania po laserowym hartowaniu nie wpłynęło na zmianę mechan i- zmu pękania. Wraz ze zwiększaniem przekroju poprzecznego próbki poddanej obróbce laserowej następuje zwiększenie szybkości chłodzenia w wyniku odprowadzenia ciepła przez zimny rdzeń materiału, co prowadzi to do istotnych zmian w strukturze warstwy wierzchniej oraz jej twardości. Należy podkreślić, że odporność na ścieranie po hartowaniu laserowym zarówno stali 15 jak i 45 była wysoka (sześciokrotnie większa niż po normalizowaniu) a wprowadzenie po hartowaniu laserowym odpuszczania pozwoliło zachować dość wysoką odporność na ścieranie do temperatury odpuszczania 45 o C. LITERATURA [1] T. Burakowski, T. Wierzchoń: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa, 1995. [2] J. Kusiński: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Wyd. Naukowe "Akapit", Kraków, 2. [3] A. Bylica, S.Adamiak: Laser hardening of iron based alloys. SPIE, vol. 3187, 1996. [4] Z. Bogdanowicz: Trwałość zmęczeniowa, przebieg pękania i zużycie laserowo hartowanych elementów maszyn. Wyd. WAT, Warszawa, 1999. [5] A. Bylica, S. Adamiak: Wpływ węgla na strukturę i właściwości stopów Fe-C hartowanych laserowo. Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 36, 1998. [6] A. Bylica, S. Adamiak, W. Bochnowski, A. Dziedzic: Laser beam hardening of cast carbon steels, plain cast irons and high speed steels. SPIE, Washington, USA, 2. [7] B. Major: Podstawy fizyczne laserowej modyfikacji mikrostruktury stopów metali nieżelaznych. VIII Krajowa Szkoła Optoelektroniki Laserowe technologie obróbki materiałów, Gdańsk, 1994. [8] J. Kusiński: Modification of structure and properties of materials by laser surface processing. SPIE, vol. 3187, 1996. [9] S. Adamiak: Wpływ obróbki laserowej na strukturę i właściwości stopów żelaza z węglem. Praca doktorska, Rzeszów 1999. 53
LASER BEAN HARDENING OF CARBON STEELS SUMMARY The paper presents the result of the effect of laser-beam and conventional treatment parameters on the structure, microhardness and abrasion resistance of the steel 15, 45 and N9E. Remelting of steel with laser beam changes significantly the properties of surface layers. In steel 15 had lamellar martensite and in steel 45 and N9E plate martensite and residual austenite. Following laser hardening, microhardness was max. 1 HV,65. Abrasion resistance was 6 times greater than in unhardened samples. Recenzował: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kaczorowski 54