Badania nad stopowaniem laserowym warstw wierzchnich elementów cylindrycznych z żeliwa sferoidalnego

• Autorzy: Paczkowska Marta , Kinal Grzegorz

Warianty tytułu

EN

The study of surface layer laser alloying of nodular iron cylindrical parts

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowana problematyka jest związana z zakresem prac nad laserową obróbką cieplną (LOC) żeliw szarych. Badania dotyczą oceny możliwości modyfikacji za pomocą LOC warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego, które znalazło szerokie zastosowanie, np. w przemyśle motoryzacyjnym. Celem tych badań było opracowanie warunków laserowej obróbki cieplnej żeliwnych elementów cylindrycznych (ich powierzchni zewnętrznych), w wyniku której będzie możliwe uzyskanie warstwy wierzchniej o drobnej mikrostrukturze (wzbogaconej w pierwiastek stopowy) oraz dużej mikrotwardości, która zwiększyłaby odporność na zużycie przez tarcie. Obróbkę laserową wykonano, stosując laser molekularny CO, firmy Trumpf o maksymalnej mocy 2600 W i modzie TEM01, typ TLF 2600t. Stopowanie polegało na przetopieniu warstwy materiału rodzimego wraz z wcześniej nałożoną pastą zawierającą amorficzny bor. Badania przeprowadzono w dwóch etapach. Podczas pierwszego analizowano wpływ obróbki laserowej przy różnych parametrach wiązki laserowej, stosując jednokrotne nagrzewanie po obwodzie wałka z badanego żeliwa na wielkość stref przetopionych, ich mikrostrukturę, mikrotwardość i zmianę kształtu obrabianej powierzchni. Wynikiem tego etapu było wyselekcjonowanie jednego wariantu obróbki, który byłby najbardziej odpowiedni do wykonania modyfikacji warstwy wierzchniej utworzonej przez nałożenie się stref stopowanych, czyli tzw. rastru. Drugi etap badań polegał na przeprowadzeniu obróbki laserowej wałka z badanego żeliwa po linii śrubowej w celu uzyskania zmodyfikowanej warstwy wierzchniej i analizie efektów tej modyfikacji. Po pierwszym etapie można było stwierdzić, że jest wyraźny wpływ prędkości wiązki laserowej determinującej szybkość nagrzewania na powstanie i wielkość stref stopowanych. Dla prędkości 3 mm/s uzyskano strefę stopowaną już przy gęstości mocy wiązki laserowej E = 21 W/mm2, natomiast dla prędkości ponad 5-krotnie większej strefę stopowaną uzyskano przy gęstości mocy E = 35 W/mmz. Maksymalne głębokości uzyskanych stref stopowanych, które powstały, wyniosły od blisko 0,1 mm do 0,5 mm, w zależności od zastosowanego wariantu (rys. 4). Ponadto można było stwierdzić, że wraz ze wzrostem gęstości mocy wiązki laserowej zwiększają się wymiary strefy stopowanej, czego skutkiem jest mniejsza jej średnia mikrotwardość wynikająca z mniejszego stężenia wprowadzanego pierwiastka stopowego. Średnia mikrotwardość strefy stopowanej zmieniała się od 1200 do 1400 HVO,1 w zależności od zastosowanego wariantu LOC (rys. 7). Zaobseryvowano również wpływ przetapiania laserowego na zmiany stereometryczne powierzchni. Biorąc pod uwagę wymiary stref stopowanych, ich średnią mikrotwardość oraz zmiany profilu powierzchni determinujące grubość materiału konieczną do usunięcia, wybrano jeden wariant obróbki laserowej, który może być zastosowany do utworzenia warstwy stopowanej metodą rastru. Badania w drugim etapie wykazały, że, stosując obróbkę laserową metodą rastru, jest możliwe utworzenie wzbogaconej w pierwiastek stopowy drobnoziarnistej mikrostruktury warstwy wierzchniej (o minimalnej grubości - w miejscach połączenia stref stopowanych podczas tworzenia rastru: 0,2 mm pozwalającej bez przeszkód na wykończeniową obróbkę mechaniczną) żeliwnych elementów cylindrycznych, uzyskując średnio 4-krotnie większą mikrotwardość od mikrotwardości rdzenia. Opracowane parametry LOC mogą w związku z tym zostać wykorzystane do modyfikacji warstw wierzchnich, np. czopów wału korbowego lub wałka rozrządu z żeliwa sferoidalnego.

EN

The presented research is part ofthe work on gray irons laser heat treatment. The following investigations concern the surface layer modification by laser heat treatment of nodular iron. This type of cast iron is commonly used in the motor industry, for example. The aim of this research was to estimate the laser heat treatment conditions of cylindrical cast iron parts (their outer surface), which would generate a surface layer with a fine microstructure and high microhardness, and as a consequence, good wear resistance. Laser treatment was performed with a CO, Trumpf TLF 2600 molecular laser with a continuous wavelength. Alloying was carried out by the remelting ofthe nodular iron surface layer with a paste containing amorphous boron (the surface ofthe cylindrical sample was covered before laser treatment). This research was carried out in two stages. During the first one, the influence of laser treatment with different laser beam parameters on the size of the alloyed zone, their microstructure, microhardness and changes in the surface shape of the workpiece were analyzed. The aim of this stage was to choose one treatment variant, which would be the best in raster-scanning laser treatment applications to modify the surface layer. In the second stage, the raster-scanning laser treatment was carried out and the effects of this modification were evaluated. After the first stage ofthe research, significant infiuence of the laser beam velocity (which determine the heating velocity) on the creation and size of the alloyed zone was noticed. For a 3 mm/s laser beam velocity, the alloyed zone was achieved with an E = 21 W/mmz laser beam power density, but for a 5-times higher velocity, the alloyed zone was achieved when the laser beam power density was E = 35 W/mm? The maximum depth zones were from nearly 0,1 mm to 0,5 mm depending on the applied treatment variant (Fig. 4). In addition, it could be stated that the higher laser beam the bigger the zone size and the lower the average microhardness was (as a consequence of smaller amount of alloying element diluted during remelting). The average microhardness was from 1200 to 1400 HVO,1 depending on the applied treatment variant (Fig. 7). It was observed, that laser remelting causes some stereometrical surface changes. Considering the size of the alloyed zones, their average microhardness, changes in surface profile (which determine the thickness of material needed to be removed) one treatment variant was chosen for laser raster-scanning to create an alloyed layer on the cylindrical sample. The carried out research after the second stage enabled to state that it is possible to produce a surface layer with a fine microstructure enriched with an alloyed element on a cylindrical sample by laser raster-scanning. The minimum alloyed layer depth (taking into account depths in the alloyed zones connection) was 0.2 mm. Furthermore, a 4-times higher microhardness ofthe alloyed layer than core microhardness was noticed. The laser treatment parameters (as a result of performed research) could be applied to surface layer modifrcation of nodular iron journals of a crankshaft or camshaft to evaluate its wear resistance.

Słowa kluczowe

PL

stopowanie laserowe; raster; żeliwo sferoidalne

EN

laser alloying; laser raster-scanning; nodular iron

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 1
• Strony: 38--42
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Paczkowska Marta

• Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska

autor

Kinal Grzegorz

• Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa (1995).
• [2] Major B.: Ablacja i osadzanie laserem impulsowym. Akapit (2002).
• [3] Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Akapit (2000).
• [4] Kusiński J., Przybyłowicz K.: Strukturalne aspekty laserowego przetapiania stopów żelaza. I Ogólnopolska Konferencja Naukowa pt. „Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchniowej”, Łódź, wrzesień (1994) 267÷270.
• [5] Paczkowska M.: Możliwości modyfikacji struktury i własności warstwy powierzchniowej elementów maszyn przez borowanie laserowe. Inżynieria Materiałowa 6 (2008) 585÷590.
• [6] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surface and Coatings Technology 205 (2010) 2542÷2545.
• [7] Paczkowska M.: Ocena skutków laserowego ulepszania cieplnego warstwy powierzchniowej elementów z żeliwa sferoidalnego. Inżynieria Materiałowa 4 (2011) 658÷661.
• [8] Kusiński J.: Metalurgiczne podstawy kształtowania struktury i własności warstwy wierzchniej materiałów podczas obróbki laserowej. V Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin-Świnoujście (1996) 275÷287.
• [9] Bourithis L., Papaefthymiou S., Papadymitriu G. D.: Plasma transferred arc boriding of a low carbon steel microstructure and wear properties. Applied Surface Science 200 (2002) 203÷218.