Robert Starosta Bartosz Żurawek Akademia Morska w Gdyni OCENA WYKORZYSTANIA CIEPŁA WEWNĘTRZNEGO ŁUKU ELEKTRYCZNEGO DO HARTOWANIA POWIERZCHNIOWEGO STALI W pracy przedstawiono wyniki badań mających na celu dobór parametrów procesu technologicznego łukowego hartowania powierzchniowego części maszyn wykonanych ze stali C45. Do powierzchniowej obróbki cieplnej wykorzystano ciepło łuku elektrycznego jarzącego się między dwiema nietopliwymi elektrodami. Zastosowano urządzenie spawalnicze GTA. Hartowana łukowo stal charakteryzowała się twardością powierzchniową dochodzącą do 55 HRC. Grubość warstwy zahartowanej wynosiła około 0,4 mm. 1. WSTĘP Materiały często spełniają wymagania konstruktorów i eksploratorów poprzez wykorzystanie obróbek powierzchniowych, ponieważ w wielu zastosowaniach zużycie materiałów odbywa się głównie na ich powierzchni. Właściwości objętościowe nie decydują wówczas o trwałości eksploatacyjnej elementu konstrukcyjnego. Hartowanie powierzchniowe stali jest procesem technologicznym, który zapewnia uzyskanie dużej twardości na powierzchni obrabianego przedmiotu przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Sposób ten zwiększa stykową wytrzymałość zmęczenia i odporność na zużycie tribologiczne przedmiotu w trudnych warunkach eksploatacji. Stosowane obecnie technologie są wystarczające do osiągnięcia żądanych właściwości użytkowych wyrobu. Niestety albo należą one do wyjątkowo kosztownych, jak na przykład metoda indukcyjna (opłacalna jedynie przy produkcji wielkoseryjnej) [2, 6] oraz metody, w których wykorzystuje się wysoko energetyczne źródła energii (wiązkę elektronów, fotonów lub jonów) [1, 4, 7], albo uzyskane efekty są niepowtarzalne hartowanie płomieniowe, kąpielowe, elektrolityczne i kontaktowe [5, 7]. Zastosowanie łuku elektrycznego jako źródła energii z wykorzystaniem technologii GTA (TIG) może okazać się alternatywnym rozwiązaniem w dziedzinie hartowania powierzchniowego stali. Najważniejszymi właściwościami tej metody jest nietopliwość elektrody (zwykle wolframowej), praca łuku elektrycznego w osłonie gazowej (argonu), temperatura łuku 3300 5000 o C. W metodzie GTA istnieje możliwość przeprowadzenia operacji hartowania z biegunowością dodatnią lub
R. Starosta, B. Żurawek: Ocena wykorzystania ciepła wewnętrznego łuku elektrycznego...37 ujemną oraz pracą w trybie prądu przemiennego przy wykorzystaniu tzw. łuku zewnętrznego (łuk występuje pomiędzy nietopliwą elektrodą a hartowaną powierzchnią) [3] lub łuku wewnętrznego (łuk jarzy się pomiędzy dwiema elektrodami). Większość zakładów naprawczych i produkcyjnych dysponuje takimi urządzeniami spawalniczymi. Dobór odpowiednich parametrów hartowania łukowego, przy których osiągnie się efekt utwardzenia warstwy wierzchniej, mógłby upowszechnić zastosowanie powierzchniowej obróbki cieplnej. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki łukowego hartowania powierzchniowego z wykorzystaniem ciepła łuku elektrycznego jarzącego się między dwiema nietopliwym elektrodami. 2. METODYKA BADAŃ Próbki stanowiły płaskowniki stalowe (C45) o długości 100 mm, szerokości 50 mm i grubości 5 mm. Do hartowania łukowego skorzystano z urządzenia spawalniczego Castotig 1702 AC/DC. Jako źródło ciepła wykorzystano łuk elektryczny, jaki wytworzył się pomiędzy dwiema nietopliwymi elektrodami wolframowymi z dodatkiem tlenku lantanu o średnicy 3,2 mm. Elektrody spawalnicze znajdowały się pod kątem 90 względem siebie w odległości 3 mm. Dla utrzymania stałej prędkości posuwu i odległości elektrody od obrabianego cieplnie przedmiotu uchwyty spawalnicze GTA zamocowano w suporcie urządzenia wykonanego w Akademii Morskiej w Gdyni, umożliwiającego zmianę prędkości posuwu wzdłużnego (rys. 1). 2 8 7 6 5 4 1 3 9 230 V Rys. 1. Schemat stanowiska do hartowania powierzchniowego za pomocą łuku elektrycznego z wykorzystaniem ciepła wewnętrznego łuku elektrycznego (dwóch elektrod): 1 uchwyt spawalniczy pierwszy, 2 uchwyt spawalniczy drugi, 3 suport do mocowania ramienia, 4 ramię mocujące uchwyty spawalnicze, 5 próbka, 6 uchwyt do próbek, 7 przekładnia pasowa, 8 silnik elektryczny, 9 regulator posuwu suportu
38 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 Zastosowane parametry procesu technologicznego operacji hartowania powierzchniowego ciepłem łuku wewnętrznego przedstawiono w tabeli 1. Jako środka chłodzącego użyto wody. Program badań obejmował 11 prób hartowania łukowego według planu Hartleya (tab. 2). Zmienną zależną była twardość stali C45 po nagrzewaniu łukowym jej powierzchni w skali HRC. Tabela 1 Parametry procesu technologicznego procesu łukowego hartowania powierzchniowego Parametr (zmienna niezależna) Wartości Odległość elektrod od próbki x [mm] 2, 3, 4 Prędkość przesuwu palnika V [mm/s] 3, 4, 5 Natężenie prądu I [A] 130, 140, 150 Układ planu Hartleya [8] Układ planu Hartleya Nr próby X(I) X(V) X(x) 1 1 1 1 2 +1 1 1 3 1 +1 1 4 +1 +1 +1 5 1 0 0 6 +1 0 0 7 0 1 0 8 0 +1 0 9 0 0 1 10 0 0 +1 11 0 0 0 I, V, x parametry (zmienne niezależne) +1 wartość maksymalna 1 wartość minimalna 0 wartość pośrednia Tabela 2 Ocenę wpływu rozpatrywanych parametrów operacji procesu technologicznego łukowego hartowania powierzchniowego na twardość powierzchniową stali C45 przeprowadzono analizując wyniki regresji wielokrotnej. Obliczenia wykonano programem komputerowym Statistica 5.5. W celu sprawdzenia, czy po przeprowadzonym procesie hartowania uzyskano strukturę martenzytyczną, wykonano pomiary twardości metodą Rockwella na przyrządzie typu KP 15002P. Na każdej próbce w środkowej części pasma wpływu ciepła dokonano pięć pomiarów twardości. Próbkę uznano za zahartowaną, jeżeli jej twardość powierzchniowa wynosiła ponad 42 HRC [5]. Badania mikrostruktury przeprowadzono mikroskopem optycznym Axiovert 25, a ich zapis w formacie cyfrowym wykonano aparatem Canon Power Shot G2. Pomiar mikrotwardości na przekroju poprzecznym warstwy zahartowanej wykonano mikrotwardościomierzem Vickersa typu H, współpracującym z mikroskopem Vertiwal. Wgłębnik obciążono siłą 0,4 N. Celem tego pomiaru było ustalenie grubości występowania struktury martenzytycznej (warstwy wierzchniej).
R. Starosta, B. Żurawek: Ocena wykorzystania ciepła wewnętrznego łuku elektrycznego...39 Szerokość pasma powierzchni zahartowanej oraz minimalnej odległości pomiędzy ściegami, przy której nie następuje odpuszczanie wcześniej utwardzonej łukowo powierzchni, wykonano poprzez pomiar odcinków pomiędzy miejscami, w których twardość nie była mniejsza niż 42 HRC. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wartości średnie pomiarów twardości powierzchniowej próbek ze stali C45 hartowanej łukowo wahały się w przedziale od 44 do 55 HRC (rys. 2). Wpływ poszczególnych parametrów powierzchniowej obróbki na twardość stali oceniono na podstawie przeprowadzonej analizy regresji wielokrotnej. Wyniki przedstawiono w tabeli 3. a) b) Rys. 2. Wpływ parametrów hartowania na twardość powierzchniową stali C45: a) HRC = f (V, I), b) HRC = f (x, I)
40 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 Tabela 3 Podsumowanie regresji wielokrotnej zmiennej zależnej HRC: R = 0,99, R 2 = 0,98, F(3,7) = 95,25, p = 0, błąd standartowy estymacji: 0,6 N = 11 (B współczynnik regresji wielokrotnej, BETA standaryzowany współczynnik regresji wielokrotnej, p poziom istotności) Zmienne niezależne BETA B poziom p wyraz wolny 3,44 0,38 I [A] 1 0,42 0,000001 V [mm/s] 0,18 0,75 0,025 x [mm] 0,4 1,74 0,00056 Ze względu na różne miana zmiennych niezależnych do oceny ich wpływu na twardość materiału posłużono się standaryzowanymi współczynnikami regresji wielokrotnej (BETA). Najistotniejszy wpływ na twardość powierzchniową stali miało zastosowane natężenie prądu (I). Z kolei w najmniejszym stopniu na zmienną zależną (HRC) miała prędkość przesuwu palnika (V). Zwiększenie natężenia prądu wykorzystanego do utworzenia łuku elektrycznego wiązało się z uzyskaniem twardszej powierzchni. Wzrost wartości pozostałych parametrów procesu technologicznego sprzyjał otrzymaniu niższych wartości HRC. Powierzchniową twardość stali C45, hartowanej ciepłem elektrycznego łuku wewnętrznego, mierzoną w skali Rockwella można szacować na podstawie liniowego równania regresji wielokrotnej (wyraz wolny jest statystycznie nieistotny p = 0,38): przy czym: I natężenie prądu [A], V prędkość przesuwu palnika [mm/s], x odległość elektrod od próbki [mm]. HRC = 0,4 I 0,75 V 1,74 x ± 0,6, (1) Strukturę uzyskaną w stali C45 po hartowaniu łukowym z wykorzystaniem dwóch elektrod przedstawiono na rysunku 3. W wyniku zastosowanej technologii powierzchniowej obróbki cieplnej otrzymano strukturę martenzytu drobnoiglastego. Związane jest to z nagrzaniem za pomocą łuku elektrycznego materiału do temperatury austenityzacji (powyżej A c3 ) stali C45 zapewniającej całkowite przekrystalizowanie struktury ferrytyczno-perlitycznej. Po chłodzeniu badanego materiału z szybkością większą od krytycznej dochodzi do przebudowy sieci przestrzennej żelaza γ na żelazo α bez zmiany koncentracji węgla w roztworze stałym. Grubość i szerokość pasma warstwy zahartowanej oraz najmniejszą odległość pomiędzy kolejnymi ściegami, dla której nie obserwowano procesu odpuszczania wcześniej zahartowanego fragmentu materiału, wyznaczono dla stali C45 obrabianej przy zastosowaniu następujących parametrów obróbkowych: I = 150 A, V = 5 mm/s, x = 3 mm.
R. Starosta, B. Żurawek: Ocena wykorzystania ciepła wewnętrznego łuku elektrycznego...41 a) b) Rys. 3. Mikrostruktura zahartowanej powierzchni stali C45 ciepłem wewnętrznego łuku elektrycznego (parametry: I = 150 A, V = 5 mm/s, x = 3 mm, HRC = 55) Na rysunku 4 przedstawiono rozkład mikrotwardości w strefie wpływu ciepła. Najwyższą wartość mikrotwardości (753 HV 0,04) stwierdzono w odległości 0,2 mm od powierzchni rzeczywistej próbki. Grubość warstwy zahartowanej, tzn. odległość od powierzchni rzeczywistej próbki do struktury półmartenzytycznej (dla C45 o twardości 42 HRC), wynosiła około 0,4 mm. Rys. 4. Rozkład mikrotwardości stali C45 w strefie wpływu ciepła (parametry powierzchniowej obróbki cieplnej: I = 150 A, V = 5 mm/s, x = 3 mm) Pomiar szerokości warstwy zahartowanej wykonano określając długość odcinka prostopadłego do hartowanego ściegu pomiędzy punktami, w których twardość nie była mniejsza niż 42 HRC. Wzdłuż linii prostopadłej do ściegu wykonywano pomiary twardości metodą Rockwella co 1 mm. Grubość pasma zahartowanego wynosiła 4,3 mm. Stwierdzono, że minimalna odległość pomiędzy poszczególnymi ściegami, aby nie dopuścić do odpuszczenia poprzednio zahartowanego pasma, powinna wynosić 10 mm.
42 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 4. PODSUMOWANIE Części maszyn wykonane ze stali C45 mogą być hartowane powierzchniowo ciepłem wewnętrznego łuku elektrycznego jarzącego się między dwiema nietopliwymi elektrodami. Największą twardość powierzchniową (55 HRC) uzyskano stosując natężenie prądu 150 A, odległość między elektrodami 3 mm i prędkość przesuwu palnika 5 mm/s. Mikrotwardość martenzytu wynosiła 753 HV 0,04. W wyniku zastosowanej powierzchniowej obróbki cieplnej otrzymano warstwę zahartowaną o grubości 0,4 mm. Szerokość pasma, w którym stwierdzono obecność martenzytu w ilości co najmniej 50%, wynosiła 4,3 mm. Odległość pomiędzy poszczególnymi pasmami powinna być nie mniejsza niż 10 mm. LITERATURA 1. Burakowski T., Inżynieria powierzchni metali, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995. 2. Gawroński Z., Technologiczna warstwa wierzchnia w kołach zębatych i mechanizmach krzywkowych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2006. 3. Konopka W., Starosta R., Wstępna ocena wykorzystania łuku elektrycznego do hartowania powierzchniowego stali C45, materiały XXVIII Sympozjum Siłowni Okrętowych, Gdynia 2007. 4. Nitkiewicz Z., Wykorzystanie łukowych źródeł plazmy w inżynierii powierzchni, Wydawnictwo Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2001. 5. Przybyłowicz K., Podstawy teoretyczne metaloznawstwa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999. 6. Senatorski J.K., Podnoszenie tribologicznych właściwości materiałów przez obróbkę cieplną i powierzchniową, Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 2003. 7. Szewieczek D., Obróbka cieplna materiałów metalowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998. 8. Współczesne problemy w technologii obróbki przez nagniatanie, praca zbiorowa pod red. prof. W. Przybylskiego, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2005. ESTIMATION OF USED INTERNAL ELECTRIC ARC TO SURFACE HARDENING OF C45 STEEL (Summary) The result of preliminary tests of C45 steel surface hardening process was presented. The GTA welding machine used to surface thermal treatment. After hardening process C45 steel characterize hardness 55 HRC. The thickness of hardening surface layer made 0,4 mm.