Analiza możliwości selektywnego kształtowania warstwy wierzchniej elementów żeliwa sferoidalnego za pomocą krzemowania laserowego

• Autorzy: Paczkowska M.

Warianty tytułu

EN

The investigation of the possibility of selected modification of nodular iron surface layer by laser alloying with silicon

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono analizę efektów selektywnej metody modyfikacji warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem laserowej obróbki cieplnej. Metoda ta może być wykorzystana do wybranych części elementów maszyn szczególnie narażonych na zużycie przez tarcie i korozję. W badaniach oceniano wpływ krzemowania laserowego na mikrostrukturę i twardość warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego. Przeanalizowano w szczególności wpływ warunków laserowej obróbki cieplnej, w tym parametrów wiązki laserowej na budowę zmodyfikowanej warstwy. Obserwacja mikrostruktury warstwy wierzchniej za pomocą mikroskopu świetlnego oraz elektronowego mikroskopu skaningowego ujawniła występowanie drobnoziarnistej strefy stopowanej. Badania dyfrakcyjne wykazały występowanie faz typu: FeSi oraz C0,12Fe0,79Si0509. Pod strefą stopowaną wyodrębniono jeszcze dwie strefy, a mianowicie przej ściową (zawierającą fazy przetopione, jak i nieprzetopione podczas obróbki) oraz strefę zahartowaną ze stanu stałego. Badania wielkości stref stopowanych wykazały, że zależą one od zastosowanych podczas obróbki parametrów wiązki laserowej. Większa zastosowana gęstość mocy skutkowała pojawieniem się większej strefy stopowanej (pomimo krótszego czasu oddziaływania wiązki laserowej). Maksymalna grubość strefy, jaką odnotowano, wynosiła 0,45 mm, a szerokość ok. 2 mm. Średnia zwartość krzemu w uzyskanych strefach, wyznaczona za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej, wyniosła w zakresie: 3÷7% mas. w zależności od zastosowanych parametrów wiązki laserowej. Im większą zastosowano gęstość mocy, tym średnie stężenie krzemu było mniejsze z powodu powstania większej strefy stopowanej. Odnotowano, że strefy stopowane miały 3,5÷5-krotnie większą twardość od twardości osnowy materiału wyjściowego. Wraz ze zwiększeniem gęstości mocy wiązki laserowej uzyskiwano większą twardość strefy stopowanej (pomimo mniejszego stężenia pierwiastka stopowego). Wniosek z tej obserwacji sugeruje, że twardość stref w przypadku przeprowadzonego krzemowania jest determinowana w większym stopniu przez parametry wiązki laserowej niż przez stężenie pierwiastka stopowego. Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić, że z wykorzystaniem laserowej obróbki cieplnej jest możliwe wzbogacanie w krzem warstwy wierzchniej żeliwa sferoidalnego i zarazem zmodyfikowanie jej właściwości. Możliwe jest również kontrolowanie uzyskanych efektów za pomocą parametrów obróbki laserowej.

EN

In presented paper the effect ofthe selected modification ofnodular iron surface layer by laser alloying with silicon was investigated. This method could be applied to these parts of machine elements which are particulary exposed to abrasive or corrosive wear. In this research the infiuence of laser alloying with silicon on microstructure and hardness of surface layer of nodular iron was evaluated. The infiuence of laser heat treatment parameters (including laser beam parameters) was in-depth analyzed. Surface layer microstructure observation by light and scanning electron microscope revealed presence of alloyed zone characterized by fine microstructure. FeSi and C 0.12Fe 0.79Si 0.09 phases were detected by X-ray diffraction. Two zones under alloyed zone were observed: transition (containing remelted and not-remelted phases during laser treatment) and hardened from solid state. Measurements of the size of alloyed zone showed that there are dependent on the laser beam parameters applied during treatment. The higher laser beam power density was applied the greater alloyed zone size was (despite shorter time of laser beam interaction). The average silicon amount in achieved zones (revealed by X-ray microanalysis) was in the range of 3÷7 wt % depending on the laser beam parameters. The higher laser beam power density was applied the smaller silicon amount was (as a consequence of the greater alloyed zone size). It was also noticed, that alloyed zone was characterized by 3.5÷5 times higher than matrix hardness of the base material. The higher laser beam power density was applied the higher hardness of alloyed zone was (despite reduced average amount of alloying element). The conclusion from this observation suggested that hardness of the alloyed zone in this case is determined more by laser beam parameters than by average amount of alloying element. Conducted research allows to state, that it is possible to use laser heat treatment in order to enrich the nodular iron surface layer with silicon and, in a consequence, to modify its properties. Achievement of desired effects in surface layer is possible by appropriate selection of the laser treatment parameters.

Słowa kluczowe

PL

krzemowanie laserowe; warstwa wierzchnia; żeliwo sferoidalne

EN

laser alloying with silicon; surface layer; nodular iron

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 521--525
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 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, Vol. 5 (2011).
• [6] Paczkowska M.: Możliwości modyfikacji struktury i własności warstwy powierzchniowej elementów maszyn przez borowanie laserowe. Inżynieria Materiałowa 6 (2008) 5 85÷590.
• [7] Napadłek W., Przetakiewicz W.: Wpływ obróbki laserowej na właściwości wybranych elementów silnika spalinowego. Inżynieria Materiałowa 5 (2002) 547÷553.
• [8] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surface & Coatings Technology 205 (2010) 2542÷2545.
• [9] Paczkowska M., Kinal G: Badania nad stopowaniem laserowym warstw wierzchnich elementów cylindrycznych z żeliwa sferoidalnego. Inżynieria Materiałowa 1 (2013) 38÷41.
• [10] 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.
• [11] Isshiki Y., Shi J., Nakai H., Hashimoto M.: Mirostructure, 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.
• [12] Dutta Majumdar J.: Development of in-situ composite surface on mild steel by laser surface alloying with silicon and its melting. Surface & Coatings Technology 205 (2010) 1820÷1825.
• [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.