Beata Borkowska, Halina Kolenda

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 3300–5000oC. 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
6
8
5
1
7
4
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
Natężenie prądu – I
[mm/s]
[A]
3, 4, 5
130, 140, 150
Tabela 2
Układ planu Hartleya [8]
Nr próby
Układ planu Hartleya
X(I)
X(V)
X(x)
1
–1
–1
–1
2
+1
–1
–1
–1
3
+1
–1
+1
+1
5
+1
–1
0
0
6
+1
7
0
0
–1
0
8
0
+1
9
0
0
0
–1
10
11
0
0
0
0
+1
0
4
0
I, V, x – parametry (zmienne niezależne)
+1
– wartość maksymalna
–1
– wartość minimalna
0
– wartość pośrednia
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, R2 = 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
wyraz wolny
B
poziom p
–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):
HRC = 0,4 I – 0,75 V – 1,74 x ± 0,6,
(1)
przy czym:
I – natężenie prądu [A],
V – prędkość przesuwu palnika [mm/s],
x – odległość elektrod od próbki [mm].
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
TO SURFACE HARDENING OF C45 STEEL
ARC
(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.