5/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 NAPRĘŻENIA WŁASNE W STALI C45 NADTAPIANEJ LASEROWO A. BYLICA 1, W. BOCHNOWSKI 2, G. WIĘCEK 3 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski 35-310 Rzeszów, ul. Rejtana 16 A STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań metalograficznych SEM, pomiarów mikrotwardości HV0,1 oraz wyznaczono naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali C45 nadtopionej wiązką lasera CO 2. Keyword: medium carbon steel, laser remelting surface layer, residual stresses 1. WSTĘP Trwałość eksploatacyjna elementów maszyn i urządzeń zależy przede wszystkim od struktury i właściwości ich warstwy wierzchniej. Pośród szeregu metod modyfikacji warstwy wierzchniej, takich jak: pokrycia galwaniczne, natryskiwanie cieplne, metody osadzania warstw PVD, CVD, PLD coraz częściej na skalę przemysłową stosowane jest laserowe nadtapianie powierzchni [1]. Koncentracja wysokich mocy promieniowania laserowego na powierzchni obrabianego elementu w bardzo krótkim czasie, umożliwia uzyskanie struktur odmiennych od równowagowych, co w kons e- kwencji prowadzi do wzrostu właściwości użytkowych [1,4,5]. Sterując parametrami obróbki laserowej rozmiarami wiązki, gęstością mocy i czasem oddziaływania możemy kształtować właściwości warstwy wierzchniej poprzez otrzymywanie struktur ch a- rakteryzujących się dużym rozdrobnieniem, rozszerzoną rozpuszczalnością atomów domieszki oraz wzrostem koncentracji defektów. Obok struktury czynnikiem wpływającym na właściwości eksploatacyjne elementów nadtapianych laserowo są naprężenia 1 Prof. dr hab. inż, bylica@univ.rzeszow.pl 2 Dr, wobochno@univ.rzeszow.pl 3 Mgr, zakmat@univ.rzeszow.pl 43
własne. Projektując obróbkę cieplną dąży się do wytworzenia w warstwie wierzchniej naprężeń własnych, które w złożeniu z naprężeniami zewnętrznymi wpłyną na wzrost wytrzymałości materiału [2,3]. W większości przypadków korzystne jest występowanie na powierzchni materiału naprężeń własnych ś ciskających, a w jego rdzeniu rozciągających. Rodzaj, wielkość i gradient naprężeń własnych są ściśle uzależnione od gatunku materiału, przyjętej technologii umocnienia laserowego hartowania, nadtapiania stopowania oraz parametrów obróbki [1,4,5,6]. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na stali C45 (EN 10083-2 1991) w stanie normalizowanym. Próbki o wymiarach 4x4x120 mm przetopiono na jednej powierzchni wiązką lasera CO 2. Obróbkę laserową prowadzono stosując: gęstość mocy Q = 2,5 x 10 4 W/cm 2, prędkość skanowania v= 1 m/min. Wiązkę laserową o przekroju prostokątnym zogniskowano na powierzchni próbki do wymiarów 20 mm x 1 mm. Nadtapianie prowadzono w kierunku prostopadłym do najdłuższego boku próbki, bez nakładania się obszarów nadtopionych. Na zgładach wykonanych pod kątem 7 do powierzchni naświetlanej laserem oraz na zgładach prostopadłych do powierzchni naświetlanej wykonano pomiary mikrotwardości oraz przeprowadzono badania metalograficzne (SEM) struktury stali. Naprężenia własne pierwszego rodzaju I określono metodą Waissmana - Phillipsa na podstawie pomiarów odkształcenia próbki, powstającego wskutek usuwania kolejnych warstw naprężonego materiału. Odkształcenie określano mierząc strzałkę ugięcia próbki czujnikiem indukcyjnym z dokładnością 1 m. Kolejne warstwy stali usuwano strawiając je chemicznie w 20% wodnym roztworze HNO 3 w temperaturze 70 C. Naprężenia własne I wyznaczono przy założeniu jednoosiowego stanu naprężeń z zależności (1) [7]. 44 n 1 1 2 dc x h 1 I Ehn Ehn 1( c0 cn 1) (1) 2 dh h 2 0 n 1 -gdzie: E - moduł Younga, h n grubość próbki po strawieniu warstwy, dc/dh nachylenie krzywej przedstawiającej funkcję krzywizny (c) względem grubości(h) próbki, x naprężenie w usuniętej warstwie, h grubość usuniętej warstwy, c 0 początkowa krzywizna próbki, c n-1 krzywizna próbki po strawieniu n-1 warstw. 3. WYNIKI I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Obróbka warstwy wierzchniej stali C45 wiązką lasera CO 2 z parametrami przyjętymi w pracy prowadzi do uzyskania przetopienia na głębokość ok. 250 m. Na skutek szybkiego odprowadzenia ciepła ze strefy przetopionej przez zimne podłoże nastąpiło zahartowanie stali. Na mikrofotografiach uwidacznia się martenzyt płytkowy (składnik charakterystyczny dla stali wysokowęglowych niestopowych) oraz znaczna
Mikrotwardość HV0.1 ARCHIWUM ODLEWNICTWA ilość austenitu szczątkowego (rys.2). O wysokiej dynamice procesu transformacji austenitu w martenzyt świadczy duże rozdrobnienie składników strukturalnych, które skutkuje wysoką jednorodnością chemiczną. Wielkość płytek martenzytu zawiera się w granicach 3-8 m. Twardość strefy przetopienia była zróżnicowana i wynosiła 480-610 HV0,1 (rys.1). W odległości ok. 50 m od powierzchni nadtapianej następuje wyraźne obniżenie twardości średnio o 80 HV0,1. Podobny efekt obserwuje się w odległości ok. 200 m. Zróżnicowanie twardości może wynikać z niejednorodnego rozkładu energii na przekroju wiązki laserowej oraz różnych szybkości odprowadzania ciepła przez powierzchnię nadtopioną do otoczenia i przez materiał podłoża. 700 600 500 400 300 200 0 100 200 300 400 500 Odległość od powierzchni naświetlanej laserem, m Rys.1. Rozkład mikro-twardości HV 0,1 stali C45 w funkcji odległości od powierzchni nadtopionej laserem Fig.1. Distribution of microhardness HV0,1 in the surface layer of steel type C45 after laser remelting Bezpośrednio pod strefą przetopienia obserwowano wąską - o szerokości ok. 100 m strefę materiału nagrzanego do temperatury solidus i zahartowanego. Twardość obszaru zahartowanego bez przetopienia była nieznacznie niższa od twardości strefy przetopionej i wynosiła 450 550 HV0,1. W strukturze strefy materiału nagrzanego do temperatury solidus i zahartowanego (rys.3) można zaobserwować produkty przemiany austenitu: w miejscach bogatych w C ziarnach byłego perlitu uwidacznia się martenzyt, w miejscach, w których przed nagrzewaniem występował ferryt powstają struktury bainityczne. Zróżnicowanie struktury jest efektem bardzo dużych szybkości nagrzewania i chłodzenia, wskutek czego nie następuje ujednorodnienie austenitu węglem. Uzyskane w tej strefie struktury charakteryzuje większe rozdrobnienie w porównaniu do 45
struktur powstałych w strefie przetopionej. Pod strefą materiału nagrzanego do temperatury solidus i zahartowanego wyróżniono strefę materiału nagrzanego do temperatur z zakresu A 1 A 3, charakteryzującą się twardością 350 450 HV0,1. Strukturę strefy materiału nagrzanego do temperatur A 1 A 3, stanowią ferryt oraz bainit (rys.4). Wielkość ziarna byłego austenitu (ok. 20 m) jest porównywalna z wielkością ziarna perlitu występującego w strukturze stali przed obróbką laserową (rys. 4, rys. 5). W materiałach nadtapianych laserowo, w miarę postępującej krystalizacji, w wyniku wyrównywania temperatury próbki następuje zmniejszenie objętości krystalizującego jeziorka ciekłego metalu. Prowadzi to do powstania naprężeń własnych, które są efe k- tem skurczu termicznego i przemian fazowych zachodzących podczas krystalizacji cieczy. Po skrystalizowaniu powstałe naprężenia własne pozostają w superpozycji z naprężeniami wywołanymi efektem dylatacji od przemian fazowych austenitu. Dynamika przemian fazowych przy zróżnicowanym w objętości przechłodzeniu temperaturowym i stężeniowym prowadzi do wytworzenia w strefie przetopienia zarówno naprężeń ściskających jak i naprężeń rozciągających (rys. 6). Maksymalne naprężenia ściskające występują na powierzchni nadtapianej las e- rem. Wraz ze wzrostem odległości od powierzchni naświetlanej, wartości naprężeń maleją aż do 0 na głębokości ok. 180 m. W warstwach położonych poniżej 180 m od powierzchni nadtapianej, mierzono naprężenia rozciągające (do 150 MPa). W strefie przetopienia w warstwach gdzie naprężenia, co do wartości bezwzględnej są najmniejsze obserwuje się obniżenie twardości (rys.1). 5 m 5 m Rys.2. Mikrostruktura SEM stali C45 w strefie przetopionej wiązką lasera CO 2 ; martenzyt płytkowy, austenit szczątkowy Fig. 2. SEM microstructure of the laser melted zone of the C45 steel; plate martensite, residual austenite Rys. 3. Mikrostruktura SEM stali C45 w strefie nagrzanej do temperatury solidus; martenzyt, austenit szczątkowy Fig. 3. SEM microstructure of the laser heated zone to solidus temperature of the C45 steel; martensite, residual austenite 46
Naprężenia własne, MPa ARCHIWUM ODLEWNICTWA 10 m 10 m Rys. 4. Mikrostruktura SEM stali C45 w strefie nagrzanej do temperatur z zakresu A 1 A 3 ; bainit, ferryt Fig. 4. SEM microstructure of the laser heated zone to temperatures with range A 1 A 3 of the C45 steel; bainite, ferrite Rys. 5. Mikrostruktura SEM stali C45 przed obróbką laserową; perlit, ferryt Fig. 5. SEM microstructure of the C45 steel before laser processing; pearlite, ferrite 300 200 100 0-100 -200-300 -400 0 100 200 300 400 500 Odległość od powierzchni naświetlanej laserem, m Rys. 6. Rozkład naprężeń własnych stali C45 w funkcji odległości od p owierzchni nadtopionej laserem Fig. 6. Distribution of residual stress in the surface layer of steel type C45 after laser remelting 47
4. WNIOSKI I STWIERDZENIA Laserowe nadtapianie stali C45 z parametrami obróbki przyjętymi w pracy, prowadzi do umocnienia warstwy wierzchniej (o grubości ok. 300 m) wskutek powstania znacznie rozdrobnionych, nierównowagowych, produktów przemiany austenitu - martenzytu i bainitu. Kształtując świadomie właściwości warstwy wierzchniej, dąży się w większości przypadków do wytworzenia na powierzchni materiału naprężeń własnych ściskających. Wyznaczone w stali C45 naprężenia ściskające występują na stosunkowo niewielkiej głębokości (do 180 m). Rozkład naprężeń własnych powinien być jednym z czynników optymalizacji parametrów obróbki wykańczającej (np. szlifowania) prowadzonej po obróbce laserowej. Określając grubość usuwanych warstw należy brać pod uwagę głębokość występowania naprężeń tak, aby po obróbce wykańczającej na powierzchni materiału występowały naprężenia ściskające. LITERATURA [1] J. Kusiński: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej, WN Akapit, Kraków 2000. [2] B. Major: Abacja i osadzanie laserem impulsowym, WN Akapit, Kraków 2002. [3] H. Kahloun: Proceedings of the Fourth International Conference on Ressidual Stresses, Baltimore, Maryland USA, 1994,201. [4] Z. Komorek, Z. Bojar: Struktura i naprężenia własne w warstwie powierzchniowej odlewniczego stopu niklu po przetopieniu i stopowaniu laserowym, PAN Krzepnięcie metali i stopów, 1996, 141. [5] A. Bylica, W. Bochnowski: Zmiana własności stali szybkotnącej SK5MC po obróbce laserowe, PAN Krzepnięcie metali i stopów, 2000, 284. [6] P.J. Withers, H.K.D.H. Bhadeshia: Residual stress, Part 1 Measurements techniques, Materials Science and Technology, 2001, Vol.17, 355. [7] M. Hebda, A. Wachal: Trybologia, WNT Warszawa 1980. 48 RESIDUAL STRESSES OF 45 STEEL LASER SURFACE REMELTED SUMMARY The paper presents the results of laser surface modification on the C45 medium carbon steel. The laser heat treatment has been carried out by CO 2 laser beam. Scanning electron microscopes and Vickers hardness tester were used to investigate structure and microhardness of the surface layer. Residual stresses in the laser remelted zone mea s- urement by Waissman - Phillips method. In the microstructure after laser remelting three zone have been observed: remelted zone (of microhardness 480-610 HV0,1), heat affected zone to solidus temperature (of microhardness 450-550 HV0,1) and heat affected zone to temperature with range A 1 - A 3. This surface layer performs different residual stresses: compression (ab. 300 MPa) and tenssion (ab. 150 MPa). Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski