27/25 Soidification ofmetas ans Aoys, No.27, 1996 Krzepnięcie Metai i Stopów, Nr 27, 1996 P AN - Oddział Katowice PL ISSN 0208-9386 IMPULSOWE LASEROWE WYGRZEWANIE STALI NADEUTEKTOIDALNEJ BYLICA Andrzej Instytut Techniki Wyższej Szkoły Pedagogicznej 35-311 Rzeszów, u. Rejtana 16a KUżMA Marian Instytut Fizyki Wyższej Szkoły Pedagogicznej 3 5-111 Rzeszów, u. Rejtana I 6a Streszczenie W pracy przeanaizowano teoretycznie proces rozpuszczania się sferoidanego cementytu w stai nadeutektoidanej w warunkach nieizotermicznych podczas aserowej obróbki. Obiczenia przeprowadzone da impusów o czasie trwania 300!S i energii, która nie powoduje przetopienia powierzchni próbk.wskazują na zahartowanie stai. Wstęp Laserowe hartowanie stai jest procesem już szeroko stosowanym w nowoczesnych technoogiach (patrz np.[] rozdz.3) Jednakże fizyczne podstawy zjawisk zachodzących w czasie takiej obróbki stai nie są w pełni znane. W szczegóności zbadania wymaga taki dobór parametrów obróbki aserowej, aby hartowanie następowało bez przetopienia powierzchni. Również zbyt mało wiadomo na temat impusowego hartowania a wydaje się, że ze wzgędu na ekstremane warunki ciepne taki rodzaj obróbki może dawać niespodziewane wyniki. Bardzo dobrym materiałem do badań modeowych jest sta nadeutektoidana zawierająca ferryt jako osnowę i sferoidany cementyt (2,3,4]. W przypadku ciągego aserowego hartowania sta ta była badana przez Li, Easteringa i Ashby [5]. W niniejszej pracy zbadano możiwości hartowania tej stai w warunkach impusowej aserowej obróbki. Uwzgędniając znaczny niejednorodny proces ciepny zostaną przeprowadzone obiczenia stopnia rozpuszczania się cementytu i ujednorodnienia stężenia węga w osnowie. Są to bowiem najważniejsze etapy w procesie hartowania stai. Obiczenia przeprowadzono da stai nadeutektoidanej o średn i ej zawartości węga C c = %. Przyjęto średnią wiekość kuek cementytu
170 2r, = 0,81J.m ( r, - promień kuki), a średnia odegłość między środkami kuek wynosiła 2r, = 1,61J.m Gęstość pochłoniętej energii aserowej była dobierana tak aby temperatura na powierzchni próbki nie przekroczyła temperatury topnienia 0,{ = 1660 K. Stosowano aser neodymowy Y AG: N d J+ o czasie trwania impusu t = 300 J.!S. Po przekroczeniu temperatury Ac, w danym punkcie próbki następuje tworzenie się zarodków austenitu na granicy cementyt-ferryt (3,4,6]. Rozrostowi austenitu towarzyszy dyfuzja węga, która wiąże się z dwoma procesami: a) rozpuszczaniem się cementytu, b) ujednorodnieniem stężenia węga po rozpuszczeniu się cementytu. Przy chłodzeniu, jeżei jest dostateczna jego szybkość, obszary o stężeniu większym od krytycznego (et = 0,1%) uegają przemianie w martenzyt a inne w ferryt. Wiekość tacich obszarów zaeży od czasu wygrzewania. Ponieważ czasy te w przypadku obróbki impusowej są bardzo krótkie a procesy dyfuzyjne długie, naeży więc zbadać w jakim stopniu występują rozpuszczanie się cementytu i homogenizacja węga w zaeżności od odegłości od powierzchni w głąb próbki.. Rozpuszczenie cementytu Po przekroczeniu temperatury rozpadu cementyt rozpuszcza się poprzez dyfuzję węga. Aby okreśić wiekość obszaru o danym stężeniu naeży skorzystać z II prawa Ficka z nałożonymi warunkami brzegowymi. W ceu anaitycznego rozwiązania probemu stosuje się różne przybiżenia w zaeżności od tzw. parametru nasycenia K K= C~ -Co C~ -C~ () gdzie C 0 - stężenie węga w ferrycie wyjściowym, C~ - zawartość węga w austenicie w równowadze z cementytem, C~ - zawartość węga w cementycie w równowadze z austenitem. W przypadku stai nadeutektoidanej o średniej zawartości węga c:: ;" % oraz stężeniach q i q odczytanych z wykresu fazowego (rys.) parametr ten jest mały i datego da opisu procesu rozpuszczania sferoidanego cementytu zastosujemy mode inwariantnej wiekości [7]. W modeu tym (rys.2) przemieszczanie się granicy cementyt-ferryt w procesie zmiejszania się kuki cementytu o promieniu R( t) wskutek rozpuszczania się, jest zaniedbane.
171 a+fe,c SOO L-------------L------------J----~~------ 0 2 4 C(%) Rys. 1. Wykres fazowy żeazo-węgie W przybiżeniu tym koncentracja węga w zaeżności od odegłości x od środka kuki cementytu zmienia się zgodnie ze wzorem [7]: C=~ e<p(-~ę)+~ (2) gdzie,; jest współrzędną zredukowaną,; = x- R( t), B 1, B 2 stałe: Cc -Co B1 = { r V }, B 2 =C, - B1, 1- exp- D[r,-R(t)] c (3) R(t) =r.- {zdt In (1 + K) +(r.-r,f} X (4) D- współczynnik dyfuzji, t - czas. Wiekość obszaru w którym węgie przekracza koncentrację krytyczną c. otrzymujemy przez podstawienie we wzorze (2) C= c. x = D In ( B 1 ) + R(t), V Cc- B 2 (5) gdzie C c - jest średnią zawartością węga w stai
172 _ 17 _ -D In Q+ K\ - {2Dt In (+ K) +(r,- t;} 2 } }'; r, - odegłość między środkami kuek cementytu, r; - promień tych kuek. (6) c R(t) c, -- --- - -- ---- - ----- - - ---------~--------- ------ -- - - ------ - ---- - ---- --- - -- -- ---- -- -- - r Rys. 2. Mode inwariantnej wiekości rozpuszczania cementytu sferoidanego 2. Homogenizacja austenitu Od momentu całkowitego rozpuszczenia się kuki cementytu ( R(t) = O, krzywa ciągła na rys. 3) następuje proces ujednorodnienia się stężenia węga w austenicie (homogenizacja). c,_.._-- -- ----------::...~_:_"_.. ~/::/,' ' ' Y Cct-------y- --... ~... - ~;~~------------ C c t,',, _',, 'S~c, X Rys. 3. Zmiany koncentracji węga w austenicie w procesie homogenizacji Początkowy (da t= O) rozkład stężenia węga w austenicie (krzywa t Gna rys.3) opisany jest równaniami
173 x;?:o, X<O, (7) gdzie -Dn(+K) vc =. r. Rozwiązanie równania dyfuzji da tych warunków początkowych ma postać (5): C(x,) = 8 1 exp [- ~ x+(~~r Dt]+B2. (8) Podstawiając w tym wwrze c;:>: ck otrzymujemy wiekość X obszaru w którym stężenie węga przekracza stężenie krytyczne ck (9) 3. Obiczenia i anaiza wyników Rozważania przeprowadzone w poprzednich paragrafach nie uwzgędniały zmian temperaturowych. W przypadkach niestacjonarnych takich jakim jest aserowa obróbka, gdzie temperatury uegają szybkim intensywnym zmianom, w otrzymanych wzorach wiekość D naeży zastąpić intensywnością cyku ciepnego [8]: Dt = D 0 (O) ( R7~)~ ( J = 3 Q Q T exp - RJ~ (i) gdzie D- współczynnik dyfuzji, TP- maksymana temperatura otrzymywana na danej głębokości w próbce w wyniku nagrzewania powierzchni impusem aserowym, Q- energia aktywacji dyfuzji węga w austenicie, D 0 - czynnik częstotiwości, R- stała gazowa. W równaniu (Ił) r jest szerokością cyku ciepnego, r= 2, 47r 2 ea.pcr 8 4 (7~ - 7~) gdzie A q- pochłonięta moc wiązki aserowej, r - 8 promień wiązki aserowej, 8 - cząs trwania impusu aserowego, e- podstawa ogarytmu naturanego, p c - ciepło właściwe na jednostkę objętości, A. - przewodnictwo ciepne, T"- temperatura otoczenia. Temperaturę TP okreśamy ze standardowego wzoru na maksymaną temperaturę w cyku nagrzewania da krótkich czasów oddziaływania wiązki []: (12) T =T.. (~) ~ A qtb (13) P o+ e 7rpcr/(z+z 0 )'
174 gdzie a=a.fpc. (14) A q 1t rij 2 - gęstość pochłoniętej mocy. Obiczenia zostały przeprowadzone da następujących parametrów charakteryzujących obróbkę aserową i materiał jakim jest sta nadeutektoidana: t = 300j..s, r 8 = 3mm, Aq!!r/ = 0,95 10 9 W/m 2, C 0 =0, c;= %, C~ =6,7%, Cc = 1%, Ct =0,1%, 2r, = 0,8Jm, 2r, = 1,6Jm, p c =4,5 10 6 Jm. 3 K" 1,A.= 41Jm- 1 s- 1 K _,,a= 9, IO"m 2 s, 1; = 1660K, Q= 153KJ mo [9], D 0 = 10 -~m/s 2 [11], (!Sa) ( Sb) (15c) (15d) ( S e) Wyniki obiczeń zestawiono w tabei, gdzie z oznacza odegłość danego punktu od powierzchni próbki, R(z)- rozmiar kuek cementytu po zakończeniu cyku ciepnego, d1/dt- szybkość chłodzenia, x 1 (z)oraz x 2 (z) odpowiednio rozmiary obszaru o stężeniu przekraczającym stężenie krytyczne po rozpuszczeniu i homogenizacji. Tabea. Wyniki obiczeń rozpuszczania cementytu w austenicie z T p T x 10 ' f X 10 9 R(z) x 10- dt/dt x!0 5 x 1 (z) x 10-6 r 2 (z) x 10-6 [I o-' m} (K] [s] [m] [K/s] [m] [m] o 1660 30 414 3,6 0,68 O 1535 33 178 2,9 0,37 15 1477 34 2 0,077 2,7 0,15 20 1422 36 72 0,173 2,4 0,33 30 1319 39 27 0,301 2,0 0,57 40 1225 43 10 0,361 1,7 0,67 50 1140 48 3,5 0,386 1,4 0,74 60 1063 53 1,2 0,395 1, 1 0,75 70 993 58 0,36 0,398 0,9 80 929 64 0,11 0,4 0,8 90 871 70 0,03 0,4 0,6 100 818 77 0,008 0,4 0,5
175 Anaiza wyników zebranych w tabei wskazuje na całkowite rozpuszczenie się węgików do głębokości 151-m. Natomiast od 151!m do głębokości 601!m węgiki uegają częściowemu rozpuszczeniu. W całym tym obszarze szybkości chłodzenia są dostatecznie duże (większe od 0 3 K./s) na to aby cały austenit o stężeniu węga większym od Ck uegł przemianie w martenzyt. Wiekość obszarów o stężeniu większym od Ck = 0,1% są duże. Wynika z tego, że przy takich warunkach obróbki naeży spodziewać się zahartowania tej stai na głębokościach nie większych jednak jak 601-m. Na większych głębokościach intensywność cyku jest zbyt mała, aby rozpuścić cementyt. Ponadto na głębokościach większych od 70!m temperatura nie przekracza temperatury austenizacji. Zastosowana w pracy metoda badania procesów rozpuszczania sferoidanych obiektów w matrycy ma ogóny charakter i może być zastosowana do innych materiałów. Przykładem może być żeiwo sferoidane, gdzie grafit występuje w postaci kuek [6,10), które w procesie obróbki aserowej będą nasycały węgem ferryt. Literatura [] T. Burakowski, T. Wierzcheń, inżynieria powierzc/mi metai, WNT, Warszawa 1995. [2) W. C. Lesie, The? hysica Metaurgy oj Stees, Me Grow-Hi, N. Y. 1982. [3) F. Staub, J. Adamczyk, L. Cieśak, J. Gubałą, A. Maciejny, Metaoznawstwo, Wydawnictwo Śąsk, Katowice 1978. (4] K. Przybyłowicz, Metaoznawstwo, WNT, Warszawa 1992. [5] W. B. Li, K. E. Eastering, M. F. Ashby, Laser transformation hardening stee. Hypereutectoid stees, Acta metai., 34, Nr 8, 1533-1543 (1986). [6] A. Byica, Wpływ krzemu i manganu oraz szybkości grzania i chłodzenia na temperatury przemiany A 1 w żeiwie sferoidanym, praca habiitacyjna, Giwice 1971. [7] H. B. Aaron, D. Fainstein, G. R Koder, J. AppL Phys., 41,4404 (1970). [8) M. F. Ashby, K. E. Eastering, The transjormation hardeningoj stee surfaces by aser beams Hypo-eutectoid steef, Acta metta., 32, Nr Ił, 1935-1948 (1984). [9) Poradnikfizykochemiczny, WNT, Warszawa 1961, str. 195. [ O) A. Kozik, Przemiana Ar:, w żeiwie sferoidanym, praca doktorska, Rzeszów 1985. [11] Handbook q[chemistry and Physics, Chem. Rubber, N. Y. 1971.