WPŁ YW OBRÓBKI LASEROWEJ NA ODPORNOŚĆ NA

32/42
Solidification of 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
WPŁ YW OBRÓBKI LASEROWEJ NA ODPORNOŚĆ
NA ŚCIERANIE POWIERZCHNI STALI
EUTEKTYCZNEJ
Anna POKHMURSKA
Instytut Problemów Stosowanych Mechaniki i Matematyki
Narodowej Akademii Nauk Ukrainy,
ul. Naukowa 3 b, 79601 Lwów, Ukraina, tel.: (380) 322 654 121;
Orest KAMINSKI, Volodymyr DOVHUNYK
Fizyko-Mechaniczny Instytut Narodowej Akademii Nauk Ukrainy,
ul Naukowa, 5, 79601 Lwów, Ukraina, tel.: (380) 322 65 42 53;
Zygmunt MUCHA, Wojciech KALIT A
Instytut Podstawowych Problemów Techniki P AN,
ul. Świętokrzyska 21, 00-049 Warszawa
STRESZCZENIE
Obróbka powierzchniowa metali za pomocą promieniowania laserowego
prowadzi do wytwarzania obszarów o mikrostrukturze z podwyższoną odpornością
na ścieranie. Tarcza w kształcie walca o średnicy 42 mm była wykonana ze stali
eutektycznej (0,8% C). Przeciwpróbki zostały wykonane z materiału o niskiej
twardości (stop Al-Cu-Sn) oraz ze stali łożyskowej (57 HRC). Badania
trybologiczne były przeprowadzone pod normalnym obciążeniem 5 Mpa przy
obrotowej szybkości 0,67 m/s w obecności smaru. Droga tarcia wynosiła 20 000
m. W zahartowanej warstwie badano rozkład mikrotwardości, współczynnik tarcia
oraz odporność na ścieranie. Uzyskane wyniki wskazują na poprawę
charakterystyk zużycia powierzchni po obróbce laserowej .
292
l.
WSTĘP
Powierzchniowa obróbka cieplna jest szeroko stosowana ze względu na
modyfikowania mikrostruktury materiałów w strefie interakcji.
W dużym zakresie pozwala uzyskać znaczne polepszenie własności
mechanicznych takich jak mikrotwardość, odporność na ścieranie i korozję. Do
obróbki powierzchniowej często stosowane są lasery o działaniu ciągłym a
zwłaszcza lasery C0 2 . Z powodu małej średnicy wiązki laserowej obróbka części
maszyn wymaga w większości wypadków nakładania ścieżek albo plamek w
strefie oddziaływania wiązki lasera celem pokrycia całej powierzchni .
Niejednorodność struktury po obróbce jest głównym problemem z jakim
spotykamy się przy powierzchniowej obróbce laserowej. Jednym ze sposobów
rozwiązywania tego problemu [l] jest wytwarzanie specjalnych układów
hartowanych ścieżek. Stosowane są różne rozwiązania. Tak zwane "mozaikowo
kształtowane powierzchnie" wytworzone przez laserowe ścieżki prowadzą do
uzyskania powierzchni odpornej na ścieranie [2]. Autorzy tej pracy badali
ulepszenie tribologicznych własności płaskiej powierzchni metalu przez
wytwarzanie
za
pomocą
lasera
równoległych
ścieżek
o zahartowanej strukturze, ukierunkowanych pod kątem 45 ° do kierunku
przesuwania próbki. Innym sposobem jest stosowanie "laserowej obróbki
plamkowej", polegającym na wytwarzaniu lokalnych, umocnionych stref
rozmieszczonych równomiernie wzdłuż całej powierzchni próbki [3]. Ze względu
na poprawę właściwości trybologicznych korzystne jest tworzenie kolejno
twardych i miękkich stref.
W obecnej pracy przedstawiono rezultaty badań mikrostruktury
i właściwości tribologicznych powierzchni stali eutektycznej po laserowym
umocnieniu.
możliwości
2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Tarcza była wykonana ze stali eutektycznej (0,8% C) w kształcie dysku
42 mm. Przeciwpróbki były wykonane ze stopu AICuSn oraz ze stali
łożyskowej (HRC 57). Badania tribologiczne były prowadzone pod normalnym
obciążeniem 5 MPa, przy obrotowej prędkości 0,67 m/s w obecności smaru
ciekłego z dodatkiem ścierniwa stałego w postaci piasku krzemowego. Droga
tarcia wynosiła 20 000 m.
Strefę przypowierzchniową hartowano przy pomocy lasera C0 2 o działaniu
ciągłym i maksymalnej mocy 2,5 kW. Roztwór wodny grafitu był używany jako
powłoka absorpcyjna. Naświetlania prowadzono w atmosferze ochronnej azotu.
3
2
Średnia gęstość mocy wiązki przy hartowaniu wynosiła ok. 6·10 W/cm .
Szerokość ścieżki wynosiła około 6 mm. Stopień nakładania się ścieżek
laserowych wynosił od 45% do -l 0% (ujemna wartość stopnia nakładania się
wiązek, np. -l 0%, oznacza, że ścieżki miały odstępy o l 0% szerokości ścieżki).
o
średnicy
293
Po zahartowaniu stref metodą laserowej obróbki badano mikrotwardość
(HVo.os) na odległości O, l mm poniżej powierzchni pod kątem prostym do
laserowej ścieżki. Dokonywano mikrograficznej analizy struktury zahartowanych
stref. Badano również wartość współczynnika tarcia i odporność na ścieranie .
3. ANALIZA BADAŃ
Przeprowadzono
badania
struktury
przekroju
zahartowanej
przypowierzchniowej warstwy. Na Rys. l przedstawiono rozkład mikrotwardości
dla jednego przejścia wiązki laserowej w środku zahartowanej strefy w kierunku
prostopadłym do powierzchni. Można wyróżnić trzy odmienne strefy twardości.
Strefa martenzytyczna o twardości 600- 1000 HV 0,05 , strefa o obniżonej twardości
- 300 HV o.os i materiał bazowy (o twardości 400 HV 0 ,05 ).
1000
900
800
700
l{)
600
o
500
o
>
400
I
300
200
100
o
o
1
2
3
Distance from surface, mm
Rys. 1. Rozkład mikrotwardości w przypadku jednego przejazdu wiązki
laserowej w środku laserowo zahartowanej strefy w kierunku
prostopadłym do powierzchni
Dla próbek, uzyskanych w różnych warunkach naświetlania, zostały
wykonane zgłady w kierunku prostopadłym do przesuwu laserowej wiązki
i został zbadany rozkład mikrotwardości na głębokości 1O mm. Rezultaty dla
dwóch granicznych przypadków przedstawiono na Rys. 2 i 3, gdy odległo ś ć
między laserowymi ścieżkami wynosi l 0% ich szerokości oraz w przypadku
nakładania się ścieżek laserowych na 45% ich szerokości .
294
~s
~l
•
o
••••
1000
U")
o
~
J:
800
600
400
200
0-+-.........,,....,--r~-.---r-..---.---,--,
0,5
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
Distance between laser passes centres, mm
Rys . 2. Schemat zahartowanej strefy oraz
rozkład
mikrotwardości
w kierunku
prostopadłym
do przesuwu laserowej
wiązki na głębokości 1O mm w przypadku
odległość
między
laserowymi
gdy
ścieżkami wynosi 10% ich szerokości .
Główne różnice
Rys. 3. Schemat zahartowanej strefy oraz
rozkład
mikrotwardości
w kierunku
prostopadłym
do przesuwu laserowej
wiązki na głębokości 1O mm w przypadku
nakładania ścieżek laserowych na 45% ich
szerokości.
uzyskanych wyników w tych przypadkach są następujące.
nieco wyższe w przypadku obróbki z zachowaniem
odległości między laserowymi ścieżkami . W strefie nakładania się ścieżek
laserowych występuje znaczne zmniejszenie twardości, co powoduje obniżenie
własności mechanicznych i zmniejszenie odporności na ścieranie. Zużycie trących
się elementów zależy od drogi tarcia i współczynnika tarcia (Rys. 4).
Wartości mikrotwardości są
295
a)
b)
--+--1 - 2 --.-3
--.--5 --e-6
-2
~4
--+--1
--.-3
- 5 --e-6
8 18
1,4
~ 16
o
~ro
1,2
E
14
'6 12
1l"'
.r.o
1
·~ 0,8
10
8
1l"' 0,6
6
0,4
41F-7'----:::;__----4...-2
6000
10000
sliding distan ce , m
-==:-:;z:;..--::?---
0 ,2 ---~-~
0+-----,-----~----~
2000
~4
20000
0+---~----r--~
2000
6000
10000
20000
slidinq distance.m
Rys . 4. Ubytek tarczy (a) i przeciwpróbki (b) w parze trących się elementów:
l -zahartowana stal (0,8% C) + Al-Cu-Sn ;
2 - laserowa obróbka przy nakładaniu śc i eżek laserowych na 45% ich sze roko śc i
+Al-Cu-Sn;
3 - laserowa obróbka przy odległości między laserowymi ścieżkami l 0% ich szerokości
+ Al-Cu-Sn;
4 - stal zahartowana(0,8% C) + stal łożyskowa;
5 - laserowa obróbka przy nakładaniu ścieżek laserowych na 45 % + sta l łożyskowa;
6 - laserowa obróbka przy odległości między laserowymi ścieżkami l 0% ich szerokości
+ stal łożyskowa .
Badania tribologiczne zostały przeprowadzone dla próbek po obróbce
laserowej, gdy odległości między laserowymi ścieżkami wynosiły l 0% oraz gdy
laserowe ścieżk i nakładały się na 45% ich szerokości , a przeciwpróbkami były stop AI-Cu-Sn lub stal łożyskowa (HRC 57). Dla porównania badano także próbki
wykonane ze stali zahartowanej (HRC 52-55) . Wyniki można scharakteryzować
na stę pująco:
tarczy przy tarciu z przeciwpróbką wykonaną ze stopu AI-Cu-Sn
praktycznie nie zależy od sposobu obróbki laserowej ;
2. Zużycie przeciwpróbki wykonanej ze stopu AI-Cu-Sn w przypadku nakładania
się ścieżek jest mniejsze l ,2 razy w porównaniu do próbki bazowej (bez
obróbki laserowej) ;
3. W tarciu z przeciwpróbką wykonaną ze stali łożyskowej bez nakładania się ścieżek
laserowych zużycie tarczy jest 2 razy mmeJsze, a przeciwpróbki
1,5 razy mniejsze w porównaniu do zużycia po obróbce z nakładaniem się ścieżek .
l.
Zużycie
296
4. W przypadku stali zahartowanej (HRC 52-57), zniszczenie tarczy jest nieco
większe, a zużycie przeciwpróbek jest porównywalne z wynikami uzyskanymi
w wypadku badań tarczy obrabianej z nakładaniem ścieżek.
Taką
różnice
w
zużyciu
próbek po laserowej obróbce przy tarciu
z przeciwpróbką, wykonaną z "miękkiego" i "twardego" materiału, można
wytłumaczyć rolą cząstek stałych w smarze w procesie tarcia. Jeśli obie
powierzchnie trące próbek są "twarde", to cząstki piasku kwarcowego niszczą
powierzchnie w pierwszym etapie tarcia. Jednocześnie cząstki te ulegają
rozdrobnieniu . Tym tłumaczy się zwiększenie zużycia trących się elementów
w pierwszym etapie. Jeśli cząsteczki piasku zmniejszą się do średnicy 5 J..tm lub
mniejszych rozmiarów, to zaczynają pełnić rolę smarującą. Zmniejszenie
współczynnika tarcia z 0,128 do 0,09 potwierdza te tezę. Jeśli przeciwprobka jest
wykonana z "miękkiego" materiału, to cząsteczki stałe wnikają w trącą
powierzchnię i pełnią tnącą rolę w całym procesie tarcia nie ulegając dalszemu
rozdrobnieniu . Dlatego w dalszym etapie procesu współczynnik tarcia praktycznie
zachowuję stałą wartość O, 128. W stadium ciągłego procesu tarcia próbek po
obróbce laserowej w przypadku, kiedy laserowe ścieżki nie nakładają się, zużycie
tych próbek było niezauważałne, zanotowano tylko zużycie przeciwpróbki
4. PODSUMOW ANIE
Odporność
na ścieranie powierzchni o wielkich rozmiarach może być
przez obróbkę laserową. Tempo zużycia takich powierzchni zależy
od struktury, parametrów obróbki oraz doboru trących się materiałów . W
przypadku, kiedy oba elementy są wykonane z materiałów o wysokiej twardości ,
bardziej odporne na ścieranie są próbki hartowane wiązką laserową, której ścieżki
nie nakładają się.
podwyższona
LITERATURA
l.
Nizery E., Deshors G., Mongis J., Peyre J.P. Treatment of overlapping runs by
CW C0 2 laser// Proceedings of the Buropean Conference on Laser Treatment
ofMaterials, 1992 (ECLAT '92), Gottingen, Germany, 1992.- P. 331-336.
2. Munteanu V., Levcovici D .T ., Paraschiv V .V., Levcovici S.M . Wear behavior
of mosaic shaped surfaces produced by laser hardening // Surface
Engineering.-1997 .- V. 13.- # 1.- P. 75-78.
3. Dubrujeaud B., Fontes A., Forget P., Papaphi1ippou C., Sainte-Catherine C.,
Vardavoulias M., Jeandin M. Surface modification using high power lasers :
influence of surface characteristics on properties of laser processed materials //
Surface Engineering.-1997.- V. 13.- # 6.- P. 461-470.