Analiza budowy strefy stopowanej laserowo borem w żeliwie sferoidalnym z wykorzystaniem metody spektroskopii elektronów Auger (AES)

• Autorzy: Paczkowska M.

Warianty tytułu

EN

The analysis of the laser alloyed zone with boron in nodular iron with use of Auger Electron Spectroscopy (AES) method

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Artykuł dotyczy problematyki związanej z modyfikacją warstwy wierzchniej żeliwa szarego za pomocą laserowej obróbki cieplnej (LOC) przede wszystkim w celu zwiększania odporności na zużycie tribologiczne fragmentów części maszyn wykonanych z tego materiału. W niniejszej pracy przedstawiono badania wpływu stopowania laserowego borem na mikrostrukturę warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego. Celem prezentowanych badań była ocena budowy strefy stopowanej laserowo borem w warstwie wierzchniej żeliwa sferoidalnego z wykorzystaniem dyskretnej metody spektroskopii elektronów Auger, którą wybrano ze względu na szczególne możliwości badawcze dedykowane warstwom zawierającym pierwiastki lekkie. Modyfikację warstwy wierzchniej dokonano za pomocą lasera molekularnego CO2 o pracy ciągłej firmy Trumpf o maksymalnej mocy wyjściowej 2600W i modzie TEM0,1. Do oceny efektów LOC, oprócz metody AES, wykorzystano mikroskopy optyczne i elektronowy mikroskop skaningowy oraz dyfraktometr rentgenowski. Twardość oceniono metodą Vickersa przy obciążeniu 0,9807 N. Stopowanie laserowe żeliwa sferoidalnego borem umożliwia wytworzenie warstwy wierzchniej składającej się z drobnoziarnistej strefy przetopionej, wzbogaconej w nowopowstałe fazy zawierające wprowadzany pierwiastek, strefy przejściowej oraz zahartowanej ze stanu stałego. Uzyskana strefa przetopiona pozwala ok. 7-krotnie zwiększyć twardość warstwy wierzchniej żeliwa. Badania za pomocą AES tej strefy wykazały obecność wprowadzonego podczas LOC boru, którego zawartość wynosiła ok. 10% at., co umożliwiło powstanie borków Fe2B. Obecność tych borków potwierdziła analiza dyfrakcyjna oraz obserwacje mikrostrukturalne. Ponadto wykazano, że mniejszej zawartości wprowadzonego pierwiastka można spodziewać się pośrodku strefy przetopionej, gdzie odnotowano również mniejszą twardość. Stwierdzono także, że w strefie przetopionej w pobliżu strefy przejściowej występują duże różnice w proporcjach żelaza i boru, co wskazuje na obecność w tym miejscu bardziej drobnoziarnistej mikrostruktury. Występowanie w tym obszarze drobniejszych ziarn potwierdziły obserwacje mikrostrukturalne.

EN

The paper concerns aspects related with surface layer of gray iron modification using laser heat treatment (LHT) mainly to achieve the increase of the resistance to tribological wear of machine elements parts made of this iron. In this paper the influence of laser alloying with boron on the microstructure of the nodular iron surface layer is presented. The aim of the research was the evaluation of the structure of laser alloyed zone with boron in the surface layer of nodular iron using Auger Electron Spectroscopy. This method has been chosen because of special research possibilities dedicated to layers made of light elements. Surface layer modification was made using CO2 Trumpf molecular laser with continuous wave with 2600W output power and TEM0,1 mode. Except AES method to evaluate LHT effects optical and electron scanning microscopes and X-ray diffractometers were applied. Hardness was assessed by Vickers method with the load of 0.9807N. Laser alloying with boron of nodular iron makes possible to achieve the surface layer made of finegrained remelted zone enriched with new phases containing implemented element, the transition zone and the hardened zone form the solid state. The remelted zone allows for approximately 7-fold increase of the harness of the surface layer of the iron. The research with AES of this zone showed the existence of born implemented during LHT. Its amount was about 10% at., which made possible to create Fe2B borides. Presence of those borides was confirmed by microscopic observation and X-ray diffraction. In addition, it was showed that less amount of implemented element could be expected in the middle of the remelted zone, where lower hardness has been also found. Moreover, in the remelted zone in the neighborhood of the transition zone large differences in proportions of iron and boron has been detected. It points to more fine grained microstructure in this place. Presence of such fine grained microstructure was confirmed by microscopic observation.

Słowa kluczowe

PL

stopowanie laserowe; spektroskopia elektronów Auger; mikrostruktura

EN

laser alloying; Auger electron spectroscopy; microstructure

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 4
• Strony: 331--344
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Paczkowska M.

• Politechnika Poznańska, Wydział Inżynierii Transportu, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Gądek T., Ł. Nowacki. 2017. „Kształtowanie elementów cienkościennych z zastosowaniem strefowego podgrzewania laserowego”. Obróbka Plastyczna Metali XXVIII (3): 171–182.
• [2] Widłaszewski J., M. Nowak, Z. Nowak, P. Kurp. 2017. „Kształtowanie profili cienkościennych wspomagane laserowo”. Obróbka Plastyczna Metali XXVIII (3): 183–198.
• [3] Burakowski T., T. Wierzchoń. 1995. Inżynieria powierzchni metali. Warszawa: WNT.
• [4] Klimpel A. 2012. Technologie laserowe. Spawanie, napawanie, stopowanie, obróbka cieplna i cięcie. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.
• [5] Nowacki J., K. Pietrzak. 2012. „Mikrostruktura i właściwości warstw nadtapianych wiązką elektronową”. Przegląd Spawalnictwa 11: 22–28.
• [6] Pertek A., M. Kulka. 2003. „Characterization of single tracks after laser surface modification of 41Cr4 steel”. Applied Surface Science 214: 278–288.
• [7] Berkowski L., A. Żaboklicki. 1997. „Badania nad zastosowaniem techniki laserowej w obróbce roboczych powierzchni narzędzi kuźniczych”. Obróbka Plastyczna Metali VIII (3): 19–26.
• [8] Paczkowska M. 2017. Zastosowanie technologii laserowych do zwiększania odporności na zużycie elementów maszyn. W Cywilizacja XXI w. – nowe rozwiązania technologiczne, 102–112. Lublin: Wydawnictwo Naukowe Tygiel.
• [9] Gadag S.P., M.N. Srinivasan. 1995. „Cavitation erosion of laser-melted ductile iron”. Journal of Materials Processing Technology 51: 50–163.
• [10] Luo Q., J. Xie, Y. Song. 1995. „Effects of microstructures on the aberasive wear behaviour of spheroidal cast iron”. Wear 184: 1–10.
• [11] Binczyk F. 2003. Konstrukcyjne stopy odlewnicze. Gliwice: WPŚ.
• [12] Paczkowska M. 2016. „The analysis of the influence of laser heat treatment of the crankshaft journal on wear resistance of the bearing”. Tribologia 2: 87–100.
• [13] Paczkowska M. 2016. „The evaluation of the influence of laser treatment parameters on the type of thermal effects in the surface layer microstructure of gray irons”. Optics and Laser Technology 76: 143–148.
• [14] Paczkowska M. 2015. „The analysis of the influence of cooling rate during laser alloying with silicon nitride on surface layer state of cast iron machine parts”. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering 60 (1): 74–79.
• [15] Pawełczyk K. 2004. „Metody badań składu chemicznego warstw powierzchniowych ze szczególnym uwzględnieniem spektroskopii elektronów Augera”. W Materiały konferencyjne 33 Krajowej Konferencji Badań Nieniszczących, Poznań-Licheń, 193–198.
• [16] Waligóra W. 1990. „Badanie efektów obróbki laserowej stali 45 poprzez pokrycie zawierające bor”. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej 35.
• [17] Duży Program Badawczy (DPB) realizowany w Politechnice Poznańskiej, etap II–1998, nr tematu DPB-22-047/98-BW: Wykorzystanie techniki laserowej w technologii i eksploatacji elementów maszyn oraz w fizyce półprzewodników. Kierownik programu: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kawalec, Biblioteka Inst. Maszyn Rob. i Pojazdów Samochodowych, Poznań 1998.
• [18] Barbacki A., red. 1995. Metaloznawstwo dla mechaników. Poznań: WPP.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).