The analisys of the influence of cooling rate during laser alloying with silicon nitride on surface layer state of cast iron machine parts

• Autorzy: Paczkowska M.

Warianty tytułu

PL

Analiza wpływu prędkości chłodzenia podczas stopowania laserowego azotkiem krzemu na stan warstwy wierzchniej żeliwnych elementów maszyn

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this was to evaluate influence of different heat treatment conditions on microstructure and hardness of surface layer of cast iron elements. The molecular CO2 laser with 2600W output power and TEM01 mode was used to perform surface modification. An optical and scanning microscopes, Auger electron spectroscope, X-ray diffractometer, EDS microanalyser and hardness Vickers tester were used to assess the result of the surface modification. The research showed, that it is possible to modify the surface layer of cast iron by laser alloying with silicon nitride. After laser alloying it is possible to achieve the alloyed zone (containing nitrogen and silicon) with uniform, fine, dendritic microstructure similar to the hardened white cast iron. Microstructure of alloyed zone as well as its size depended on laser heat treatment parameters. In case of alloyed zones formed with higher laser power density and its smaller interaction time (which generate higher cooling rates) it was noted higher amount of undiluted graphite and new-formed phases like Fe1,94C0,055, FeN0,032, FeN0,076, FeSi, Fe2Si. In case of alloyed zone formed with higher cooling rate alloyed zone microstructure was finer and more homogenous. The average hardness of alloyed zone with silicon nitride was 5-times higher than matrix of the bulk material. Improved hardness of surface layer of cast iron by laser alloying with silicon nitride should favor better wear resistance of machine part cast iron treated in this way.

PL

Celem badań była ocena wpływu różnych warunków laserowej obróbki cieplnej na mikrostrukturę i twardość warstwy wierzchniej elementów żeliwnych. Do modyfikacji powierzchniowej wykorzystano laser molekularny CO2 o pracy ciągłej firmy Trumpf, o maksymalnej mocy 2600W i modzie TEM01. Oceny przeprowadzonej modyfikacji dokonano za pomocą mikroskopu optycznego, skaningowego, spektroskopu elektronów Auger, mikroanalizy rentgenowskie oraz dyfrakcji rentgenowskiej, a także mikrotwardościomierza metodą Vickersa. Badania wykazały, że istnieje możliwość modyfikacji warstwy wierzchniej żeliwa za pomocą stopowania laserowego żeliw azotkiem krzemu. Po stopowaniu laserowym można uzyskać strefę stopowaną (zwierającą azot i krzem) o jednorodnej, drobnej, dendrytycznej mikrostrukturze, o charakterze zbliżonym do zahartowanego żeliwa białego. Mikrostruktura strefy stopowanej, jak i jej rozmiar zależały od zastosowanych parametrów laserowej obróbki cieplnej. W strefach powstałych z zastosowaniem większej gęstości mocy i krótszego czasu oddziaływania, generujących większą prędkość chłodzenia na materiał odnotowano większą zawartość nie rozpuszczonego grafitu, a także większą zawartość nowopowstałych faz jak: Fe1,94C0,055, FeN0,032, FeN0,076, FeSi, Fe2Si. W przypadku stref uzyskanych z większą prędkością chłodzenia odnotowano większe rozdrobnienie i ujednorodnienie mikrostruktury. Średnia twardość stref stopowanych azotkiem krzemu była około 5-krotnie większa od twardości osnowy rdzenia. Zwiększenie twardości warstwy wierzchniej żeliw przez stopowanie laserowe azotkiem krzemu powinno sprzyjać zwiększeniu odporności na zużywanie obrobionych w ten sposób żeliwnych części maszyn.

Słowa kluczowe

EN

laser alloying; silicon nitride; cast iron; surface layer

PL

stopowanie laserowe; azotek krzemu; żeliwo; warstwa wierzchnia

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, nr 1
• Strony: 74--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Paczkowska M.

• Poznan University of Technology, Institute of Machines and Motor Vehicle, Poznan, Poland

Bibliografia

• [1] Kośmicki Z., Kęska W., Feder S.: Automatyzacja procesów roboczych maszyn rolniczych. Prace PIMR, Poznań, 2000, Vol. 45, 1, 61.
• [2] Binczyk, F.: Konstrukcyjne stopy odlewnicze. WPŚ Gliwice, 2003.
• [3] Łabęcki M., Gościański, M. Pirowski Z., Olszyński J.: Badania laboratoryjne i eksploatacyjne wybranych elementów roboczych maszyn rolniczych pracujących w glebie, wykonanych z nowoczesnych żeliw ADI, Część 1.: Badania laboratoryjne, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 2004, Vol. 49 (4), 35.
• [4] Łabęcki M.: Badania laboratoryjne i eksploatacyjne wybranych elementów roboczych maszyn rolniczych pracujących w glebie, wykonanych z nowoczesnych żeliw ADI, Część 2: Badania eksploatacyjne. Journal of research and Applications in Agricultural Engineering, 2004, Vol. 49 (4), 41.
• [5] Paczkowska M.: Wpływ parametrów obróbki laserowej na budowę warstwy powierzchniowej żeliwa sferoidalnego. Inżynieria Materiałowa, 2009, nr 6, XXX, 505-508.
• [6] Paczkowska M., Ratuszek W., Waligóra W.: Microstructure of laser boronized nodular iron. Surface & Coatings Technology 205, 2010, 2542-2545.
• [7] Małdziński, L.: Termodynamiczne, kinetyczne, i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach azotowania gazowego. Rozprawy Nr 373, WPP, Poznań, 2003.
• [8] Kula, P.: Inżynieria warstwy wierzchniej, Monografie, Łódź, 2000.
• [9] 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 Volume: 32, Issue: 9, May 1, 1995, 1465-1470.
• [10] Psyllaki, P.P., Griniari, A., Pantelis, D.I.: Parametric study on laser nitriding of 1.5919 steel. Journal of materials processing technology 195, 2008, 299-304.
• [11] Chien-Kuo S., Hsien-Lung T.: Hardfacing characteristics of S42000 stainless steel powder with added silicon nitride using a CO2 laser. Materials Characterization Vol. 52, Issue: 4-5, July, 2004, 341-348.