SKSM PO OBRÓBCE LASEROWEJ

Solidification o f Metais and Alloys,
Year 2000, Volume 2, Book No 42
Krzepnięcie Metali i Stopów,
Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42
PAN-Katowice, PL ISSN 0208-9386
31/42
ZMIANA WŁASNOŚCI STALI SZYBKOTNĄCEJ
SKSM PO OBRÓBCE LASEROWEJ
Andrzej BYLICA, Wojciech BOCHNOWSKI
Instytut Techniki, Wyższa Szkoła Pedagogiczna
ul.Rejtana 16 C, 35-310 Rzeszów
Laserowe nagrzewanie , przetopienie lub stopowanie powierzchni metali
prowadzi do uformowania warstwy wierzchniej o pożądanych własnościach
użytkowych. Poprzez dobór technologii obróbki laserowej można modyfikować
warstwę wierzchnią w celu podwyższenia jej twardości , odporności na ścieranie,
żaroodporności, odporności na korozję, trwałości zmęczeniowej stykowej a także
rezystywności [l ,2,3 ]. Prowadzone badania nad zastosowaniem przetapiania
laserowego lub laserowego stopowania
do umacniania narzędzi ze stali
szybkotnących ukierunkowane są na określenie wpływu parametrów obróbki
laserowej tj. :mocy lasera , szybkości skanowania, średnicy plamki na strukturę i
własności konstytuowanej warstwy wierzchniej. Z danych literaturowych wynika
że, przetopienie wiązką laserową stali szybkotnących prowadzi do powstania
przesyconej, silnie rozdrobnionej struktury o dużej jednorodności pod względem
chemicznym oraz podwyższonej twardości ok. 1200 HV 0065 w odniesieniu do
struktury formowanej metodami konwencjonalnymi. Szybka krystalizacja obszaru
przetopionego laserem prowadzi do powstania nierównowagowych struktur o
różnej morfologii \przy powierzchni i w pobliżu dna przetopienia. Na skutek zmian
objętości wywołanych efektami cieplnymi, oraz będących wynikiem przemian
fazowych, w strefie przekrystalizowanej oraz bezpośrednio pod nią w strefie
wpływu ciepła powstaje stan napręże11 ściśle uzależniony od składu chemicznego
stali, jej wstępnej obróbki cieplnej, parametrów obróbki laserowej i geometrii
ścieżek umacniających powierzchnię[4].
286
Pomimo, że stale szybkotnące są przedmiotem wielu badań brak jest
danych literaturowych opisujących zmianę udarności strefy przetopionej laserem,
oraz danych opisujących stan naprężeń powstałych w warstwie wierzchniej stali
umocnionej laserowo.
Celem pracy jest zbadanie zmian strukturalnych, twardości, oraz określenie
naprężeń własnych powstałych w wyniku laserowego przetopienia stali
szybkotnącej SK5M.
l. MATERIAL DO BADAŃ
Przedmiotem badal'l była stal szybkotnąca SK5M stosowana na narzędzia
przeznaczone do pracy w szczególnie ciężkich warunkach np.: do
skrawania stali ulepszonych cieplnie, stali żaro i kwasoodpornych o strukturze
austenitycznej jak i na narzędzia pracujące przy niedostatecznym chłodzeniu.
Materiał badawczy stanowiły beleczki o wymiarach 4 x 4 x l 00 mm ze
stali w stanie wyżarzonym przetopione na powierzchni laserem molekularnym C0 2
o działaniu ciągłym. Laserową obróbkę cieplną przeprowadzono w Instytucie
Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie stosując laser typu VFA
2500 przy następujących parametrach naświetlania:
moc lasera- 2 kW,
prędkość skanowania- 0.6 m l min,
średnica wiązki- 2,8 mm.
Obróbkę prowadzono w osłonie argonu. W płaszczyźnie naświetlanej oraz w
płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni naświetlanej wykonano zgłady
metalograficzne, które trawiono 5% Nitalem.
skrawające
2.METODYKA BADAŃ
Obserwacje zmian struktury prowadzono na mikroskopie optycznym Neophot2 oraz skaningowym mikroskopie elektronowym - Tesla Bs340. Pomiary
mikrotwardości wykonano na mikrotwardościomierzu Hanemanna stosując
obciążenie 0,065 N. Obserwowano strukturę i mierzono mikrotwardość na
zgładach prostopadłyc h do powierzchni naświetlanej laserem.
Naprężenia własne osiowe występujące w belce określono metodą
mechaniczną, mierząc odkształcenia wyrażone strzałką ugięcia f
powstające w
wyniku usuwania kolejnych stref warstwy przetopionej laserem. Proces usuwania
kolejnych warstw realizowano poprzez trawienie powierzchni naświetlanej ,
pozostałe powierzchnie belki zabezpieczono przed działaniem środka trawiącego ,
pokrywając je lakierem asfaltowym.
Strzałkę ugięcia belki mierzono czujnikiem indukcyjnym MDK FI z dokładnością
l J-lm. Odległość danej strefy od powierzchni naświetlanej określono przy
założeniu liniowej zmiany masy próbki w procesie trawienia- przy stałej długości i
szerokości próbki ubytek masy określa rzeczywiste zmiany wysokości próbki.
287
Określając naprężenia
osiowe korzystano ze wzoru Stableina:
X
gdzie:
h - początkowa wysokość próbki = 2 mm,
K. - iloczyn stałej E= 2, II l 0 11 Pa i krzywizny kx mierzonej po usunięciu warstw
do wysokości x,
K - iloczyn stałej E materiału i jej krzywizny przed rozpoczęciem trawienia.
Założono, że belka wygina się wzdłuż łuku koła, krzywiznę k liczono ze wzoru:
gdzie : f-
strzałka ugięcia
belki,
l- długość pomiarowa
Pochodną
dK
-- i
dx
całkę
bełki.
f
h
K dx obliczono z wielomianu 8 - go stopnia, którym
X
aproksymowano
zależność
K
=f(x),
gdzie
x-wysokość
belki podczas trawienia.
3. WYNIKI BADAŃ
W stanie wyjściowym badana stal SK5M posiadała strukturę ferrytyczną z
drobnymi węglikami wtórnymi wewnątrz ziarn oraz nielicznymi grubymi
węglikami pierwotnymi na ich granicach (rys.l ). Obróbka laserem z parametrami
przyjętymi w pracy spowodowała przetopienie warstwy wierzchniej stali na
głębokość max 0,6 mm .W warstwie przetopionej wyróżniono dwa obszary o
różnej morfologii: strefę przekrystalizowaną oraz strefę wpływu ciepła.
Struktura obszaru przetopionego miała różną budowę (zależnie od miejsca obserwacji) , co
było spowodowane lokalnymi szybkościami krzepnięcia .W strefie przekrystalizowanej
obserwowano kryształy kolumnowe (rys.2) i komórki dendrytyczne krystalizujące zgodnie z
kierunkiem odprowadzenia ciepła. Wewnętrzną strukturę tych kryształów stanowiły
martenzyt i austenit szczątkowy (rys.3). W przestrzeniach międzydendrytycznych widoczna
była faza węglikowa (głównie M 6C) tworząca charakterystyczną jasną siatkę (rys.4).
W strefie wpływu ciepła - na granicy dna przetopienia i materiału rodzimego
288
obserwowano nadtopienia na granicach ziaren, oraz częsc10wo rozpuszczone
węgliki pierwotne. Nie obserwowano pęcherzy w strefie przetopienia co może
świadczyć o lami-narnym przepływie metalu w jeziorku.
Rys. l Stal SKSM w stanie wyżrzonym
ferryt, węgliki pierwotne i wtórne
Rys. 3 Stal SKSM strefa przetopiona
martenzyt i austenit szczątkowy wewnątrz
kryształów
Wyniki
pomiarów
Rys. 2 Stal SKSM strefa przetopiona
laserem, kryształy kolumnowe i komórki
dendrytyczne
Rys . 4 Stal SKSM strefa przetopiona
jasna eutektyka z węglikami M 6C na
granicach kryształów
mikrotwardości
mikrotwardości był zróżnicowany
przedstawiono
na
rys.S.
Rozkład
w poszczególnych strefach: przekrystalizowanej
i wpływu ciepła. Zróżnicowane wartości mikrotwardości występowały również
w samej strefie przekrystalizowanej (od ok.l050- 1250 HV0,065). Maksymalna
289
twardość średnia
do
głębokości
( 1200 HV 0,065 ) występowała w obszarze przekrystalizowanym
0,4 mm od powierzchni naświetlonej . Twardość osnowy zawierała
....................... ........ . . . . . . ...... • • .=N~~i~-$=-i
ao~~--~--~--~~~~---L--~--~~--~~
0,0
0,4
Q,2
odlegloścod
Rys.5.
Rozkład
naświetlanej
mikrotwardości
0,6
powierzchni
0,8
naświetlanej
1,0
1,2
laserem, mm
stali SK5M w funkcji
odległości
od powierzchni
Jaserem
..·
- ... ..
.. ··········· ········
... ... .
·'"·
:
- ·~
....
--. --- -.
. -- '
- ~.-
- ._1 ..
....
.l
!
/ ·
i .
. l
l
• l
j
·300
J
o'. . ..
.. . .
·3EO L----'---~---'---~--~----.._____..___~---'-----'
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
odległość
Rys .6.
Naprężenia własne
od polllierzchni przetopicrej la<>erem, rrm
osiowe w warstwie wierzchniej po przetopieniu laserowym
290
się
w granicach 330- 380HV 0,065. Przy przejściu ze strefy przekrystalizowanej
do strefy wpływu ciepła następował spadek mikrotwardości do ok. 800 HV 0,065 .
Rozkład naprężeń osiowych występujących w warstwie wierzchniej stali
umocnionej laserem przedstawiono na rys. 6. W warstwie przetopionej laserem
w odległości od O- 0,4 mm od powierzchni naświetlanej występowały naprężenia
ściskające o wartościach od ok. 30 do 300 MPa. Największe naprężenia ściskające
dochodzące do 300 MPa zalegały przy powierzchni przetopu. W pobliżu dna
przetopienia oraz w strefie wpływu ciepła mierzono naprężenia własne ściskające
jak i rozciągające. Wartość bezwzględna tych naprężeń nie przekraczała 50 MPa.
Poziom naprężeń własnych w strefie przetopienia posiada odzwierciedlenie
w rozkładzie mikrotwardości. Największa mikrotwardość (średnio 1200 HV 0,065)
występuje w strefie, w której występują największe co do wartości bezwzględnej
naprężenia własne.
4. WNIOSKI
Laserowa obróbka stali SKSM z parametrami przyjętymi w pracy powoduje
przetopienie warstwy wierzchniej na głębokość max. 0,6 mm . Powstała w wyniku
przetopienia warstwa charakteryzuje się: znaczącym rozdrobnieniem struktury,
zróżnicowaną morfologią zależną od lokalnych szybkości chłodzenia oraz
podwyższoną twardością - ok. 1200HV0,065. Badania naprężei1 własnych w
warstwie przetopionej laserem ujawniły występowanie naprężeń ściskających,
których wartości zmieniały się od 300 MPa przy powierzchni przetopu do ok.
30 MPa w odległości 0,4 mm od powierzchni przetopionej. W pobliżu dna
przetopienia oraz strefy wpływu ciepła UJawmono obecność naprężeń
rozciągających o wartości ok.30 MPa.
LITERATURA
Patejuk A., Napadlek W.,Przetakiewicz W.: Wpływ stopowania laserowego i
napawania metodą TlG na żaroodporność stali 50H21 G9N4.Krzepnięcie
metali i stopów' 96, Zeszyt 27
2. Przybyłowicz K. , Depczyński W.,Konieczny M.: Wpływ gęstośc i mocy
promieniowania laserowego na strukturę
własności
lanej stali
szybkotnącej .Inżynieria Materiałowa nr 5/1999
3. Major B., Ebner R. : Konstytuowanie warstwy wierzchniej tworzyw
metalowych na drodze obróbki laserowej . Inżynieria Powierzchni nr 1/1996
4. Komorek Z., Bojar Z., Struktura i naprężenia własne w warstwie
powierzchniowej odlewniczego stopu niklu po przetopieniu i stopowaniu
laserowym. Krzepnięcie metali i stopów'96, Zeszyt 27
5. Orłoś z. Naprężenia cieplne. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 1991
6. Kąc S., Kusiński J.:Struktura i własności laserowo przetapianej stali SW18 w
stanie lanym. XXVI Szkoła Inżynierii Materiałowej Kraków L Zakopane 1998
l.