metody utwardzania wyrobów stalowych po chromowaniu

ANDRZEJ MŁYNARCZAK1, PRZEMYSŁAW BORECKI1, ADAM PIASECKI1
METODY UTWARDZANIA WYROBÓW
STALOWYCH PO CHROMOWANIU
DYFUZYJNYM
SURFACE HARDENING OF STEELS
AFTER DIFFUSION CHROMIZING
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono metody utwardzania wyrobów stalowych po chromowaniu dyfuzyjnym. Narzędzia
i części maszyn pracujące w warunkach obciąŜeń dynamicznych, po wytworzeniu twardej i odpornej na zuŜycie chromowanej warstwy dyfuzyjnej muszą być dodatkowo hartowane i odpuszczane. MoŜna to przeprowadzić metodą tradycyjną w zwykłym piecu hartowniczym, przez wygrzewanie w specjalnie dopasowanej do
wyrobu retorcie chłodzonej wodą lub przez obróbkę laserową.
Słowa kluczowe
Chromowana warstwa dyfuzyjna, hartowanie, obróbka laserowa, twardość.
SUMMARY
Methods of steel surface hardening employed in diffusion chromizing are described in this paper. Tools and
elements of machines prepared to work under dynamic loads should be quenched and tempered after formation diffusion chromium layer. Heat treatment can be carried out using conventional hardening furnace in the
water quenched retort specially adapted for the specific workpiece or it can be done by laser treatment.
Key words
Diffusion chromized layer, quenching, laser treatment, hardness.
1. WPROWADZENIE
Chromowane dyfuzyjne warstwy węglikowe wytwarza się na narzędziach i częściach maszyn naraŜonych podczas eksploatacji przede wszystkim na
zuŜycie w warunkach tarcia [1-2]. Narzędzia i części
maszyn pracujące w warunkach obciąŜeń statycznych lub niewielkich obciąŜeń dynamicznych po
wytworzeniu na ich powierzchni twardej warstwy
dyfuzyjnej nie potrzeba hartować i odpuszczać celem utwardzenia podłoŜa stalowego. Dla narzędzi
i części maszyn pracujących w warunkach bardzo
duŜych obciąŜeń statycznych lub przy obciąŜeniach
dynamicznych, utwardzenie rdzenia pod warstwą
dyfuzyjną okazało się konieczne, aby zapobiec jego
plastycznemu odkształceniu [3-4].
Istotną trudność w zastosowaniu węglikowej warstwy dyfuzyjnej w celu zwiększania trwałości narzędzi
i części maszyn stanowią równieŜ zmiany wymiarowe
wyrobów. Zmiany takie występują zarówno podczas
1
samego wytwarzania warstwy, jak i szczególnie podczas tradycyjnego hartowania i odpuszczania. Występujące zmiany wymiarowe moŜna zneutralizować
jedynie poprzez odpowiedni dobór wymiarów wyjściowych wyrobu na podstawie przeprowadzonych wcześniej prób [5].
W pracy przedstawiono wyniki prób hartowania
wyrobów stalowych metodą tradycyjną w zwykłym
piecu, następnie w specjalnie dopasowanej retorcie
chłodzonej w wodzie oraz przez obróbkę laserową.
2. CEL, ZAKRES I METODYKA BADAŃ
Wyroby wykonane ze stali C90U, 102Cr6
i X165Cr12 po chromowaniu dyfuzyjnym utwardzano
trzema metodami (rys.1 i 2). W metodzie pierwszej
stosowano zalecane tradycyjnie warunki hartowania
i odpuszczania dla danej stali bez atmosfery ochronnej. W metodzie drugiej utwardzano matryce ze stali
Politechnika Poznańska
62
INśYNIERIA POWIERZCHNI NR 2 – 2008
Rys. 3. Rozkład twardości w warstwie wierzchniej stali 102Cr6 po
chromowaniu dyfuzyjnym
Fig. 3. Hardness profile in surface layer formed on 102Cr6 steel by
diffusion chromizing
Rys. 1. Struktura węglikowej chromowanej warstwy dyfuzyjnej
wytworzonej na stali 102Cr6
Fig. 1. Morphology of diffusion carbide chromized layer formed on
102Cr6 steel
Rys. 4. Mikrostruktura stali C90U z warstwą węglików chromu
przed (a) i po hartowaniu i odpuszczaniu (b)
Fig. 4. Microstructure of C90U steel with chromium carbides, initial
state (a), after quenching and tempering(b)
Rys. 2. Matryca i stempel ze stali X165Cr12 do przeciwbieŜnego
wyciskania tub aluminiowych po chromowaniu dyfuzyjnym oraz
hartowaniu w dopasowanej retorcie w wodzie
Fig. 2. Die and punch made of X165Cr12 steel used for inverted
extrusion of aluminium tubes. Both elements were diffusion chromized and water quenched in a fitting retort before
X165Cr12 przez nagrzewanie i chłodzenie wraz
z dopasowana retortą w wodzie. W metodzie trzeciej utwardzano pracujące fragmenty powierzchni
narzędzia wiązką laserową.
Badano mikrostrukturę oraz rozkład twardości
w warstwie wierzchniej stali po chromowaniu dyfuzyjnym oraz po próbach utwardzania.
3. WYNIKI BADAŃ
Chromowana warstwa dyfuzyjna ma duŜą twardość i doskonałą odporność na zuŜycie przez tarcie.
PoniewaŜ jednak proces wytwarzania warstwy dyfu0
zyjnej przebiega w temperaturze 1000 C w ciągu
kilku godzin, to rdzeń stalowy pod warstwą ma
strukturę perlitu o małej twardości – około
300HV0,05 (rys.3). Wyroby pracujące w warunkach
duŜych obciąŜeń po wytworzeniu warstwy powinny
być w związku z tym dodatkowo hartowane i odpuszczane w celu utwardzenia rdzenia stalowego.
INśYNIERIA POWIERZCHNI NR 2 – 2008
Rys. 5. Urządzenie do hartowania pakietów matryc ze stali
X165Cr12 z dyfuzyjną warstwą węglikową wraz z retortą w wodzie
Fig. 5. Device for quenching of dies made of X165Cr12 steel with
carbide layer quenched in a fitting retort
Stwierdzono, Ŝe austenityzowanie bez atmosfery ochronnej i chłodzenie w oleju lub w wodzie stalowych wyrobów chromowanych dyfuzyjnie nie wpływa ujemnie na właściwości twardej warstwy węglikowej. Wynika to z faktu, Ŝe chromowana węglikowa
63
warstwa dyfuzyjna wykazuje równieŜ właściwości
Ŝaroodporne (rys.4.). Po tradycyjnym hartowaniu
i odpuszczaniu chromowane wyroby pokrywają się
jednak ciemnymi plamami nalotowymi, co pogarsza
ich wygląd.
Rys. 6. Struktura warstwy wierzchniej stali 102Cr6 z chromowaną
warstwą węglikową po obróbce wiązką laserową o mocy 1,2 KW
(x200)
Fig.6. Cross section of surface layer formed on 102Cr6 steel by diffusion chromizing after laser beam treatment of 1,2kW power (x200)
Wyroby o skomplikowanych kształtach, które po
hartowaniu powinny mieć nie zmienioną w porównaniu do wyjściowej powierzchnię, a obrabiana stal
charakteryzuje się duŜą hartownością, w indywidualnych przypadkach obrabia się w retortach dopasowanych do hartowanych wyrobów.
Opracowano metodę hartowania w wodzie pakietów matryc ze stali X165Cr12 z warstwami węglikowymi wraz z dopasowaną retortą rurową, której
konstrukcja umoŜliwiała chłodzenie wewnętrznej
powierzchni roboczej matryc. Uzyskano twardość
matryc mierzoną na powierzchni rzędu 60 HRC.
Matryce w retorcie były przesypane proszkiem takim
samym, jakiego uŜywano w procesie wytwarzania
warstw węglikowych (rys.5).
Zastosowanie lasera do modyfikowania właściwości warstwy wierzchniej wyrobu stalowego z węglikową warstwą chromowaną zastępuje tradycyjne
hartowanie i odpuszczanie (rys.6 i 7). Obróbce takiej
podlegają wyłącznie pracujące powierzchnie wyrobu. Pozwala to wyeliminować problem zmian wymiarowych i szereg innych niedogodności, które
występują w tradycyjnej obróbce cieplnej objętościowej.
Wyeliminowane zostaje równieŜ niebezpieczeństwo utlenienia się warstwy dyfuzyjnej podczas długotrwałego austenityzowania wyrobów o większych
gabarytach.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Rys. 7. Rozkład twardości w warstwie wierzchniej stali 102Cr6
po chromowaniu dyfuzyjnym i obróbce wiązką laserową o mocy
1,2 kW
Burakowski T., Wierzchoń T.: InŜynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa 1995.
Młynarczak A., Jóźwiak K., Mesmacque G.: Wear
resistance of multiphase diffusion carbide coatings,
„Advanced Engineering Materials”, 2003, 5, No11,
s.789-793.
Prospekt firmy Chromium Maastricht BV, Holland,
EXPO 1997.
Karapulka K., Młynarczak A., Jastrzębowski K.:
Urządzenie do wytwarzania powłok dyfuzyjnych
metodą proszkową. Świadectwo autorskie o dokonaniu wynalazku nr 194461. Warszawa 04.04 1986.
Młynarczak A.: Modyfikowanie budowy i właściwości jedno- i wieloskładnikowych dyfuzyjnych warstw
węglików chromu, wanadu i tytanu wytwarzanych
na stalach metodą proszkową. Politechnika Poznańska, seria Rozprawy, sierpień 2005.
Fig. 7. Hardness profile in surface layer formed on 102Cr6 steel by
diffusion chromizing and laser treatment of 1,2 kW power
64
INśYNIERIA POWIERZCHNI NR 2 – 2008
INśYNIERIA POWIERZCHNI NR 2 – 2008
65