plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 26 nr 1 lub 2
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2006
MARTA PACZKOWSKA * WŁODZIMIERZ WALIGÓRA**
STRUKTURA STREF WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ
ŻELIWA SFEROIDALNEGO EN-GJS-500
PO BOROWANIU LASEROWYM
W poniższym artykule został omówiony wpływ borowania laserowego na strukturę warstw
powierzchniowych żeliwa sferoidalnego. Stwierdzono, że po borowaniu laserowym od powierzchni w głąb można wyróżnić następujące strefy: przetopioną, przejściową i zahartowaną. Mikrotwardość w strefie przetopionej jest 4-6-cio krotnie wyższa od twardości rdzenia. Odnotowano również, że im mniejsze rozmiary strefy przetopionej tym wyższa jest twardość tej strefy. Wykazano
ponadto równomierne stężenie boru w strefie przetopionej od powierzchni w głąb nagrzewanej
próbki. Dokonano także analizy struktury i twardości strefy przejściowej i zahartowanej stwierdzając występowanie wokół kulek grafitu otoczek martenzytycznych i ledeburytycznych w strefie
przejściowej oraz otoczek martenzytycznych w strefie zahartowanej. Zaobserwowano zmniejszanie się tych grubości otoczek wraz z odległością od strefy przejściowej.
Słowa kluczowe: borowanie laserowe, żeliwo sferoidalne, struktura
1. WPROWADZENIE
Żeliwo sferoidalne znajduje coraz szersze zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Odlewy z żeliwa sferoidalnego wypierają odlewy staliwne, a nawet
odkuwki ze stali [1]. Tworzywo to, wykorzystuje się między innymi na elementy
skrzyń biegów, koła zębate, tuleje cylindrowe, wały korbowe, wałki rozrządu.
Odlewy z żeliwa sferoidalnego stosuje się również w przypadku elementów
maszyn rolniczych i hydraulicznych [2-4]. Niektóre części tych elementów narażone są podczas pracy na intensywne ścieranie i korozję. Wymaga się więc od
nich odpowiednich własności warstwy powierzchniowej. Jedną z metod pozwalających na lokalną zmianę własności warstwy powierzchniowej jest obróbka
laserowa. Jak wynika z badań [5] dotyczących przetapiania laserowego żeliwa
* Mgr inż.
** Prof. dr hab.
Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki
Poznańskiej.
2
M. Paczkowska, W. Waligóra
sferoidalnego odnotowano 3-4-krotny wzrost mikrotwardości warstwy przetopionej w porównaniu do twardości materiału rdzenia. Żeliwo z warstwą powierzchniową o drobnoziarnistej strukturze zahartowanego żeliwa białego uzyskanego przez hartowanie laserowe z przetopieniem wykazuje wyższą odporność na zużycie i na korozję niż żeliwo nieobrobione [6].
Dodatkowe możliwości stwarza stopowanie laserowe. Wprowadzanie pierwiastków stopowych w warstwę powierzchniową elementu żeliw znalazło praktyczne zastosowanie w podnoszeniu twardości, odporności na zużycie i korozję.
Poza możliwością tworzenia struktur nadających określone własności warstw
powierzchniowych elementów warto jest też wspomnieć o możliwości eliminacji pewnych niekorzystnych cech zawiązanych z konwencjonalną obróbką cieplno-chemiczną np. czasochłonnością i nieekologicznością procesów obróbki dyfuzyjnej. Obróbka za pomocą lasera technologicznego daje możliwość intensywnego nagrzewania powierzchni o dowolnie skomplikowanym kształcie
skoncentrowaną wiązką laserową, precyzyjnego sterowania dawką energii, zachowania pierwotnych wymiarów elementów obrabianych laserowo, a ponadto
możliwa jest też łatwa automatyzacja procesu i duża szybkość osiągania pożądanego efektu technologicznego [7]. Dodatkowe możliwości daje połączenie
lasera technologicznego z np. tokarką, co pozwala na tzw. obróbkę hybrydową,
w czasie której można jednocześnie hartować i toczyć część warstwy wierzchniej oraz nagrzewać laserowo i toczyć twarde materiały ceramiczne [8]. Wszystkie te możliwości i zalety obróbki laserowej sprzyjają rozpowszechnianiu stopowania laserowego materiałów, w tym również żeliw.
Celem prezentowanych badań jest określenie wpływu borowania laserowego
na strukturę warstw powierzchniowych żeliwa sferoidalnego.
2. METODYKA BADAŃ
Przedmiotem badań były próbki z żeliwa sferoidalnego EN-GJS-500
(3,82% C, 2,53% Si, 0,33% Mn, 0,02% Cr, 0,042% P, 0,013% S i 0,257% Cu)
poddane uprzednio borowaniu laserowemu. Substancją stopującą był amorficzny
bor. Obróbka laserowa przeprowadzona została za pomocą lasera CO2 o pracy
ciągłej firmy Triumph o maksymalnej mocy 2600W i modzie TEM0,1 znajdującego się w laboratorium Technik Laserowych Politechniki Poznańskiej. Zastosowano stałą średnicę wiązki laserowej 4 [mm] i stałą prędkość jej przesuwu
względem próbki 8 [mm·s-1]. Warianty obróbki różniły się jedynie zastosowaną
mocą wiązki laserowej, która mieściła się w zakresie 300 ÷ 2500 [W], a więc w
zakresie gęstości mocy 2,4·103 ÷2·104 [W·cm-2].
Do badań efektów obróbki laserowej wykorzystano: mikroskop optyczny
(pomiar geometrii stref i analiza ich struktury), mikrotwardościomierz (wyznaczenie rozkładów mikrotwardości od powierzchni w głąb próbek przez strefy
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego...
3
zmodyfikowane), oraz spektroskop elektronów Auger (określenie stężenia boru,
węgla i żelaza).
3. WYNIKI I ANALIZA BADAŃ
W budowie warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym można wyróżnić trzy charakterystyczne strefy: przetopioną, przejściową i zahartowaną (rys.1.). Strefa przetopiona, pierwsza od powierzchni widoczna w postaci jasnego, jednorodnego obszaru oddzielona jest od strefy zahartowanej znacznie cieńszą od pozostałych dwóch strefą przejściową.
Rys. 1. Przykładowy przekrój poprzeczny elementu z żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym
Fig. 1. Example of transverse section of nodular iron part after laser boronizing
Uzyskano równomierne rozmieszczenie boru od powierzchni w głąb próbki.
Obecność boru w strefie przetopionej wykazały badania metodą spektroskopii
elektronów Auger (AES) (rys.2 - oznaczenie na osi Y to wysokość piku na różniczkowym widmie otrzymanym metodą AES, od powierzchni w głąb strefy
przetopionej).
W strefie przetopionej w przypadku stopowania laserowego, jak podają informacje zawarte w literaturze [9] w wyniku ultraszybkiego chłodzenia następującego po przetapianiu możliwe jest otrzymanie superdrobnokrystalicznych faz
metastabilnych, a nawet szkieł metalicznych. Obserwacja struktury strefy przetopionej w większym powiększeniu (rys.3.) pozwala przypuszczać, że jest to
eutektyka (α+Fe2B), gdzie regularne drobne wydzielenia to Fe2B. Analogiczną
strukturę w strefie przetopionej, w której wykazano występowanie fazy Fe2B
metodą rentgenowską, uzyskano po borowaniu laserowym stali łożyskowej
ŁH15 [10] jak również w wyniku przetapiania laserowego wytworzonej warstwy
4
M. Paczkowska, W. Waligóra
borków metodą dyfuzyjną na stali U8 [11]. Faza alfa, jak piszą autorzy [11],
może mieć strukturę ferrytyczną lub martenzytyczną.
Rys. 2. Przykładowy rozkład stężenia pierwiastków uzyskany po pomiarach metodą AES w strefie
przetopionej po borowaniu laserowym
Fig. 2. Example of elements distribution on the section from surface of nodular iron after laser
boronizing appointed with Auger electron spectroscopy (AES) method
Rys. 3. Fragment strefy przetopionej próbki żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym
Fig. 3. Part of melted zone of nodular iron after laser boronizing
W rejonach bezpośrednio przylegających do strefy przejściowej można zaobserwować wyraźną strukturę dendrytyczną (rys. 4.). Jest ona szczególnie tam
widoczna ponieważ częściowo przetopione ziarna są miejscem zarodkowania
dendrytów [12]. W strefie przetopionej widoczne są również gdzieniegdzie kulki
grafitu (rys.1.), które podczas przetapiania laserowego nie zdążyły się całkowicie rozpuścić. Niemniej jednak, laserowe przetapianie stopów o złożonym składzie chemicznym i dużej niejednorodności chemicznej, do których należą żeliwa, prowadzi do ujednorodnienia ich struktury i składu chemicznego [9]. Na
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego...
5
duży stopień ujednorodnienia w strefie przetopionej wskazują, poza obserwacją
mikrostruktury, niewielkie różnice w mikrotwardości (rys.4.).
Rys. 4. Przykładowy rozkład mikrotwardości w głąb próbki z żeliwa sferoidalnego po borowaniu
laserowym wraz ze zdjęciem mikrostruktury warstwy powierzchniowej
Fig. 4. Example of microhardness distribution on the section from surface of nodular iron after
laser boronizing with structure photograph
Mikrotwardość w strefie przetopionej w zależności od zastosowanego wariantu obróbki laserowej znajduje się w zakresie 1000-1400HV0,1. Ponadto
można zaobserwować zależność mikrotwardości strefy przetopionej od jej grubości (rys.5.). Wyższej mikrotwardości można spodziewać się w strefach przetopionych o mniejszej ich grubości. Relacja ta, może wynikać z co najmniej
dwóch przyczyn, a mianowicie: pierwszej związanej z faktem że ta sama ilość
amorficznego boru przypadała na różną grubość warstewki przetapianego podłoża co w efekcie zmieniło proporcje pierwiastków w uzyskanym stopie, oraz
drugiej, związanej z innymi warunkami chłodzenia w warstwach o różnych grubościach, co zmienia zasadniczo warunki tworzenia struktury.
Znaczne różnice mikrotwardości można zaobserwować w pozostałych dwóch
strefach: przejściowej i zahartowanej (rys.4.). Strefa przejściowa zawiera w sobie elementy strefy przetopionej i zahartowanej. Można w niej zaobserwować
między innymi kulki grafitu w podwójnych otoczkach (rys.6.).
6
M. Paczkowska, W. Waligóra
1800
1600
HV0,1 = -1,15lp + 1500
rx y = 0,992
HV 0,1
1400
1200
1000
800
600
400
0
100
200
300
400
lp [μm]
500
Rys. 5. Zależność mikrotwardości strefy przetopionej podczas borowania laserowego żeliwa sferoidalnego od jej grubości
Fig. 5. Relationship between melted zone microhardness and its thickness
Mechanizm tworzenia się tych otoczek opisali Grum i Štrum w swoich publikacjach [5, 13]. Dyfuzja węgla z kulek grafitu do austenitu podczas obróbki
laserowej powoduje wzrost jego koncentracji w osnowie austenitu otaczającej
grafit. Efektem tego jest obniżenie temperatury topnienia w tym miejscu i lokalne przetopienie otoczki austenitu wokół kulki grafitu. W konsekwencji, po szybkim schłodzeniu tworzy się w tym miejscu zahartowany ledeburyt przemieniony. Dookoła kulki grafitu gdzie nie nastąpiło przetopienie, a jedynie występuje
zwiększona koncentracja grafitu tworzy się w wyniku szybkiego chłodzenia
martenzyt [5, 13]. W wyniku tego procesu tworzą się dwie otoczki wokół grafitu: ledeburytyczna i martenzytyczna. W strefie zahartowanej natomiast, wokół
grafitu występują jedynie otoczki martenzytyczne (rys. 7 i 8).
Rys. 6. Fragment strefy przejściowej z widocznym obszarem strefy przetopionej żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym
Fig. 6. Part of transition zone with visible meted zone area of nodular iron after laser boronizing
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego...
7
Podobnie jak w strefie przejściowej podczas obróbki laserowej również tutaj
następuje dyfuzja węgla z kulki grafitu do austenitu. W strefie tej temperatura
już nie jest jednak na tyle wysoka i dyfuzja węgla tak duża jak w przejściowej,
aby nastąpiło lokalne nadtopienie. Po szybkim schłodzeniu powstaje więc pojedyncza otoczka martenzytyczna. W strefie zahartowanej występuje, oprócz martenzytu i grafitu także ferryt. Ponieważ wyjściową osnowę badanego żeliwa
stanowił ferryt i perlit, austenit jaki tworzy się podczas krótkiego nagrzewania
wiązką laserową charakteryzuje się różną koncentracją węgla. Obszar austenitu
bogaty w węgiel po schłodzeniu przemienia się w martenzyt natomiast pozostały
obszar ubogi w węgiel przemienia się z powrotem w ferryt. W efekcie w strefie
zahartowanej powstają otoczki martenzytyczne oddzielające kulki grafitu od
ferrytu, widoczne na rysunkach 7 i 8.
Rys. 7. Fragmenty strefy zahartowanej w pobliżu strefy przejściowej żeliwa sferoidalnego po
borowaniu laserowym
Fig. 7. Part of hardened in the vicinity of transition zone of nodular iron after laser boronizing
Rys. 8. Fragmenty strefy zahartowanej w pobliżu materiału rdzenia żeliwa sferoidalnego po borowaniu laserowym
Fig. 8. Part of hardened in the vicinity of core material of nodular iron after laser boronizing
8
M. Paczkowska, W. Waligóra
Rys. 7 przedstawia fragment strefy zahartowanej w pobliżu strefy przejściowej,
natomiast rys. 8 przestawia fragment strefy zahartowanej w pobliżu materiału
rdzenia. Można zaobserwować, że grubość otoczek w pobliżu strefy przejściowej jest większa niż w przypadku otoczek występujących dalej od tej strefy.
Na wykresie (rys. 9.) zamieszczone zostały wyniki pomiarów grubości otoczek dla pięciu z zastosowanych mocy wiązki laserowej. Należy zaznaczyć, że
podczas obróbki laserowej stosowano te same czasy nagrzewania poszczególnych fragmentów próbki tj = 0,5 [s] (średnica wiązki laserowej d = 4 [mm],
prędkość przesuwu wiązki laserowej względem próbki v = 8 [mm·s-1]), podczas
gdy moc między wariantami różniła się aż 6-cio krotnie. Z przedstawionych
wykresów wynika, że wyższa moc spowodowała uzyskanie większej grubości
otoczek martenzytycznych wokół grafitu. Fakt ten oznacza, że dyfuzja węgla z
grafitu do austenitu podczas nagrzewania laserowego była większa w przypadku
zastosowania wyższej mocy.
12
10
8
6
-17,959
l + 19,069
g g==-17,96
l + 19,07
= 0,933
rxy =rxy0,933
P =P2500W
= 2500W
4
2
g = -19,10 l + 9,60
rxy = 0,860
P = 400W
g = -22,52 l +12,49
rxy = 0,984
P = 500W
g = -23,35 l+15,25
rxy = 0,863
P = 800W
g -20,462
= -20,46l l++17,611
17,61
g=
0,961
rxy==0,961
rxy
P = 2000W
P = 2000W
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
l [mm]
Rys. 9. Zależność grubości otoczki martenzytycznej grafitu od odległości od strefy przetopionej po
różnych wariantach obróbki laserowej
Fig. 9. Relationship between martensite graphite shell thickness and distance from transition zone
Zważywszy, że temperatury w strefie austenityzacji w obu przypadkach musiały być podobne można przypuszczać, że ze względu na wyższe temperatury w
strefie przetopionej w przypadku zastosowania większej mocy, czas odprowadzania ciepła był dłuższy. Wysoka temperatura utrzymywała się w strefie austenityzacji dłużej co zwiększyło czas, w którym węgiel mógł dyfundować z grafitu
do austenitu. W związku z tym większy obszar austenitu wzbogacił się w węgiel
co bezpośrednio wpłynęło na grubość otoczki martenzytycznej. Wyznaczenie
tych wykresów umożliwia świadome ingerowanie w strukturę warstw powierzchniowych żeliwa sferoidalnego poprzez nagrzewanie laserowe.
Struktura stref warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego...
9
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań sformułować można nastepujące
spostrzeżenia:
− po borowaniu laserowym elementów z żeliwa sferoidalnego od ich powierzchni w występują następujące strefy: przetopioną, przejściową i zahartowaną.,
– strefa przetopiona charakteryzuje się dużym stopniem ujednorodnie-
nia,
– przy granicy strefy przetopionej widoczna jest wyraźna struktura
dendrytyczna, natomiast w całym obszarze strefy można zaobserwować
gdzieniegdzie rozpuszczone podczas obróbki laserowej kulki grafitu,
– mikrotwardość strefy przetopionej jest 4-6-cio krotnie wyższa od twardości
rdzenia,
– mikrotwardość strefy przetopionej borowanego laserowo żeliwa wzrasta
wraz ze zmniejszaniem się grubości tej strefy,
– pomiędzy strefą przetopioną a zahartowaną występuje strefa przejściowa
zawierająca elementy struktury strefy przetopionej i zahartowanej,
– w strefie przejściowej kulki grafitu oddzielone są od ferrytu podwójną
otoczką: ciemniejszą - martenzytyczną oraz jaśniejszą, stanowiącą zahartowany
ledeburyt przemieniony. Występowanie zahartowanego ledeburyt przemienionego wskazuje na lokalne przetopienia wokół kulek grafitu podczas obróbki
laserowej,
– ze względu na występowanie strefy przejściowej w przypadku przetapiania
laserowego żeliw sferoidalnych można spodziewać się dobrego połączenia strefy
przetopionej z zahartowaną,
– strefa zahartowana pod względem struktury jest różnorodna. Na podstawie
analizy obrazów mikrostruktury i pomiarów mikrotwardości można stwierdzić
występowanie w niej: martenzytu, grafitu i ferrytu,
– grafit w strefie zahartowanej oddzielony jest od ferrytu otoczką martenzytyczną,
– grubość otoczki martenzytycznej wokół kulek grafitu w tej strefie
zmniejsza się wraz z odległością od strefy przetopionej.
LITERATURA
[1] Metaloznawstwo dla mechaników, Praca zbiorowa, Poznań, WPP, 1996.
[2] Binczyk F., Konstrukcyjne stopy odlewnicze, Gliwice, WPŚ 2003.
[3] Gadag S.P., Srinivasan M.N., Cavitation erosion of laser-melted ductile iron, Journal of
Materials Processing Technology, 1995, 51, s. 150-163.
[4] Luo Q., Xie J., Song Y., Effects of microstructures on the aberasive wear behaviour of spheroidal cast iron, Wear, 1995, 184, s. 1-10.
10
M. Paczkowska, W. Waligóra
[5] Grum J., Štrum R., Microstructure analysis of nodular iron 400-12 after laser surface melt
hardening, Materials Characterization, 1996, 37, s. 81-88.
[6] Burakowski T., Wierzchoń T., Inżynieria powierzchni metali, Warszawa, WNT, 1995.
[7] Napadałek W., Przetakiewicz W.: Wpływ obróbki laserowej na właściwości wybranych
elementów silnika spalinowego, Inżynieria Materiałowa, 2002, nr 5, s. 547-553.
[8] Kawalec M., Barbacki A., Pertek-Owsianna A., Jankowiak M., Nowak I., Zastosowanie
lasera technologicznego CO2 do doskonalenia właściowśći warstwy wierzchniej stali oraz
wspomagania toczenia twardej ceramiki konstrukcyjnej Si3N4, Archiwum Technologii Maszyn
i Automatyzacji, KBM PAN, 2004, Vol. 24 nr2, s. 139-157.
[9] Kusiński J., Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty laserowego przetapiania stopów żelaza, I
Ogólnopolska Konferencja Naukowa pt.: Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchniowej, Łódź, Wrzesień 1994, s. 267-270.
[10] Paczkowska, M., Waligóra W.: Struktura stali łożyskowej po borowaniu laserowym, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, KBM PAN, 2003 vol. 23, nr 1, s. 137-145.
[11] Vorosnin, L.G., Nada, Ch.A.: Obróbka laserowa borkowych i węglikowych warstw dyfuzyjnych, Inżynieria Powierzchni, 1997, nr 2/3, s. 45-53.
[12] Kusiński J.: Zmiany struktury i własności mechanicznych stali pod wpływem obróbki laserowej, Kraków, Zeszyty naukowe 132, Metalurgia i odlewnictwo, 1989.
[13] Grum, J.; Štrum, R.: Comparison of measured and calculated thickness of martensite and
ledeburite shells around graphite nodules in the hardened layer of nodular iron after laser surface remelting, Applied Surface Science, 2002, 187, s. 116-123.
Praca wpłynęła do Redakcji 28.03.2006
Recenzent: prof. dr hab. inż.
SURFACE LAYER ZONES STRUCTURE OF 500-7 NODULAR IRON AFTER
LASER BORONIZING
S u m m a r y
In this paper laser boronizing effect on the nodular iron surface layers structure has been studied. It has been stated three different zones from the surface could be distinguished: melted, transition and hardened. Microhardness of melted zone is 4-6 times higher than the core hardness. It has
been noticed also the smaller melted zone thickness the higher microhardness is. Moreover, stable
boron distribution in melted zone on the section from the surface of heating material has been
observed. Structure and microhardness of transition and hardened zones have been analyzed, as
well. Martensite shells around graphite nodules in these both zones have been observed and it has
been found their sizes are decreased with the distance from the surface. Additionally, ledeburite
shells around graphite nodules in transition zone have been occurred.
Key words: laser boronizing, nodular iron, structure