Analiza wpływu stopowania laserowego na mikrostrukturę warstwy wierzchniej żeliw szarych

• Autorzy: Paczkowska M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.3.9

Warianty tytułu

EN

Analysis of the influence of laser alloying on surface layer microstructure of gray irons

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niektóre części żeliwnych elementów pojazdów samochodowych powinny się charakteryzować warstwami wierzchnimi o dużej odporności na zużycie w wyniku tarcia, a także korozję czy działanie wysokiej temperatury. Celem tych badań była ocena możliwości wytworzenia w powszechnie stosowanych żeliwach szarych warstw wierzchnich wzbogaconych o pierwiastki stopowe zwiększające między innymi żarowytrzymałość, a mianowicie bor, krzem i koblat. Badania stopowania laserowego wykonano za pomocą lasera molekularnego CO2 firmy TRUMPF o maksymalnej mocy 2600 W i modzie TEM01. Obróbkę przeprowadzono z parametrami umożliwiającymi uzyskanie dużych szybkości chłodzenia powstałych stref stopowanych. Zastosowano gęstość mocy wiązki laserowej w zakresie 0,82÷2,70·105 W/cm2 oraz czas jej oddziaływania wiązki na materiał od 10 do 30 ms. Badania mikrostruktury powstałych warstw przeprowadzono za pomocą mikroskopu świetlnego i elektronowego. Za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej zidentyfikowano implementowane pierwiastki. Natomiast badania z użyciem dyfraktometru rentgenowskiego umożliwiły analizę powstałych faz. Twardość warstw określono za pomocą mikrotwardościomierza sposobem Vickersa. W wyniku przeprowadzonej obróbki polegającej na stopowaniu borem i krzemem oraz borem, krzemem i kobaltem w każdym z wariantów w warstwie wierzchniej żeliw stwierdzono powstanie strefy stopowanej o drobnoziarnistej mikrostrukturze i charakterze zbliżonym do zahartowanego żeliwa białego. Pod strefą stopowaną odnotowano występowanie strefy przejściowej (z elementami przetopionymi i nieprzetopionymi podczas obróbki) oraz strefy zahartowanej ze stanu stałego. Średnia twardość stref stopowanych wynosiła 1200÷1700 HV0,1 w zależności od zastosowanych parametrów obróbki laserowej. Przyczyną nawet 8-krotnego zwiększenia twardości stopowanej strefy (w porównaniu z osnową materiału rodzimego) była między innymi drobnokrystaliczna mikrostruktura oraz utworzenie się silnie przesyconych roztworów stałych oraz twardych faz zawierających implementowane pierwiastki. W strefie stopowanej stwierdzono borek Fe2B. Nie zaobserwowano różnic średniej twardości stopowych stref w tych samych warunkach obróbki laserowej żeliw płatkowych oraz sferoidalnych, a także jednoznacznych różnic średniej twardości pomiędzy strefami zawierającymi krzem i bor oraz strefami zawierającymi bor, krzem i kobalt. Badania mikrostrukturalne obszarów w strefie stopowanej w pobliżu strefy przejściowej wykazały występowanie nie do końca rozpuszczonych płatków grafitu w obecności ultradrobnokrystalicznej osnowy, co potwierdziło uzyskanie dużej szybkości chłodzenia w całej warstwie wierzchniej (szybkość chłodzenia obrabianej powierzchni wyniosła ok. 0,7·104°C/s). Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że z wykorzystaniem laserowej obróbki cieplnej jest możliwe wzbogacanie w B, Si oraz Co warstwy wierzchniej żeliwa płatkowego oraz sferoidalnego i zarazem modyfikowanie jej mikrostruktury i twardości.

EN

Some parts of the surface layer of cast iron automotive elements should characterized by good resistance to wear by friction, corrosion, and high temperature. The aim of this study was to evaluate the possibility of forming of the gray iron surface layer enriched with alloying elements which increase e.g. creep, like B, Si and Co. The research of laser alloying was performed with molecular CO2 laser TRUMPF with 2600 W maximum output power and TEM01 mode. The treatment was carried out with parameters enabling to obtain high-speed cooling rates of formed alloyed zones. The laser beam power density was in range of 0.82÷2.70·105 W/cm2 and interaction time in the range of 10 to 30 ms. Surface layer microstructure was evaluated using light and electron microscopes. X-ray microanalysis was applied to identified elements implemented into the surface layer. To estimate types of phases formed during laser treatment X-ray diffraction was used. The microhardness of the layers was determined by Vickers method. In each variant of laser treatment consisting of alloying with B and Si and B, Si and Co, the fine-grained microstructure alloyed zone in the surface layer of cast iron was formed. Microstructure of this zone is similar to hardened white cast iron. Two zones were observed under alloyed zone: transition (containing with remelted and unremelted phases during laser treatment) and hardened from solid state. Average hardness of alloyed zones was in range of 1200÷1700 HV0.1 depending upon the laser treatment parameters. The reason for even 8-times increase of the alloyed zone hardness (compared to the matrix of the base material) was fine crystalline microstructure, highly supersaturated solid solutions and hard phases containing implemented elements. In the alloyed zone e.g. Fe2B iron boride was noted. No differences in average hardness of alloyed zones (crated in the same conditions of the laser treatment) between nodular iron and flake iron were observed. Moreover, no differences in average hardness of zones alloyed with B, Si and zones alloyed with B, Si, Co were noted. Microstructure observations of the alloyed zone areas near the transition zone showed the presence of not fully dissolved graphite flakes in ultra-fine crystalline matrix. This fact confirmed high cooling rate in the whole surface layer achieved during laser treatment (cooling rate of treated surface was approximately 0.7·104°C/s). Results of this study showed that it is possible to enrich with of B, Si and Co of the nodular and flake cast iron surface layer by laser heat treatment and modify its microstructure and hardness.

Słowa kluczowe

PL

stopowanie laserowe; warstwa wierzchnia; żeliwo szare

EN

laser alloying; surface layer; gray iron

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 3
• Strony: 138--142
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Paczkowska M.

• 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, Kraków (2002).
• [3] Kusiński J: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Akapit, Kraków (2000).
• [4] Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej. Monografie, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź (2000).
• [5] Dobrzański L. A., Dobrzańska-Danikiewicz A. D.: Obróbka powierzchni materiałów inżynierskich. Open Access Library Volume 5 (2011).
• [6] Napadłek W., Przetakiewicz W.: Wpływ obróbki laserowej na właściwości wybranych elementów silnika spalinowego. Inżynieria Materiałowa 5 (2002) 547÷553.
• [7] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surface & Coatings Technology 205 (2010) 2542÷2545.
• [8] Kinal G., Paczkowska M.: Ocena odporności na zużycie stopowanych laserowo czopów wału korbowego z żeliwa sferoidalnego. Inżynieria Materiałowa (6) (2012) 697÷700.
• [9] Pertek A.: Kształtowanie struktury i własności warstw borków żelaza otrzymywanych w procesie borowania gazowego. WPP, Poznań (2001).
• [10] Paczkowska M.: Analiza możliwości selektywnego kształtowania warstwy wierzchniej elementów żeliwa sferoidalnego za pomocą krzemowania laserowego. Inżynieria Materiałowa (5) (2013) 206÷210.
• [11] Dutta Majumdar J.: Development of wear resistant composite surface on mild steel by laser surface alloying with silicon and reactive melting. Mater. Lett. 62 (2008) 4257÷4259.
• [12] Isshiki Y., Shi J., Nakai H., Hashimoto M.: Microstructure, microhardness, composition, and corrosive properties of stainless steel 304: I Laser surface alloying with silicon by beam-oscillating method. Appl. Phys. A70 (2000) 651÷656.
• [13] Chong-Cheng H., Wen-Ta T., Ju-Tung L.: The effect of silicon nitride on the laser surface alloying with Fe-Cr-Si3N4 powders. Scripta Metallurgica et Materiala 32 (9) (1995) 1465÷1470.
• [14] Ding P., Liu J., Shi G., Zhau S., Cao P.: Laser surface alloying of low steel with cobalt. Material Processing Technology 58 (1996) 131÷135.
• [15] Riahi M.: Surface treatment of cast iron by adding different alloying elements to form a metallic glass structure layer using an industrial carbon dioxide laser. Journal of Materials Processing Technology 58 (1996) 3÷12.