Inżynieria materiałowa w obróbce plastycznej Oryginalny artykuł naukowy Material engineering in metal forming Original Scientific Article
Wpływ stanu strukturalnego na skutki obróbki laserowej stali
o różnym składzie chemicznym. Część I: Stale węglowe
Influence of structural state on the effects of laser treatment of steel
with different chemical compositions. Part I: Carbon steels
Leopold Berkowski*
Instytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland
Informacje o artykule Zgłoszenie: 19.02.2018 Recenzja: 20.03.2018 Akceptacja: 20.06.2018 Article info Received: 19.02.2018 Reviewed: 20.03.2018 Accepted: 20.06.2018 Streszczenie
Obróbka laserowa, zwłaszcza hartowanie laserowe, wykorzystuje dużą energię pro-mieniowania laserowego do grzania niewielkich powierzchni obrabianego materiału oraz jego przewodność cieplną, celem uzyskania szybkiego ochłodzenia podgrzanego obszaru. Specyficzne warunki i efekty stosowania obróbki sprawiają, że technologia stała się w wielu przypadkach bardzo atrakcyjna. W niniejszym opracowaniu podjęto próbę oceny wpływu stanu strukturalnego stali, związanego ze składem chemicznym, na skutki obróbki laserowej. W pierwszej części oceniono stale węglowe w różnej zawartości węgla i obrabianych w miarę ustalonych warunkach; badania przeprowa-dzono na jednym urządzeniu (laser technologiczny CO2 firmy TRUMPF), przy
zmie-niającej się prędkości przesuwania się wiązki światła lasera – 16, 24, 32 i 64 mm/s. Metodą pomiaru twardości HV0,1 wyznaczono parametry warstwy (głębokość i sze-rokość na głębokości 0,3 mm), przeprowadzono obserwację struktury stali E04j, 15, 35, 45, 55, N7E i N8E z pomocą mikroskopu świetlnego. Spodziewano się określić wpływ zawartości węgla w stali oraz wpływ intensywności grzania wiązką światła lasera na strukturę i właściwości warstwy zahartowanej z przetopieniem stali węglowej, także po tradycyjnym odpuszczaniu. Badania wykazały, że wzrost zawartości węgla w stalach węglowych w przedziale 0,04–0,70% C (stale E04J, 15, 35, 55 i N7E) powoduje wzrost twardości po hartowaniu laserowym – odpowiednio – od 314 HV0,1 do 1054 HV0,1 (po odpuszczaniu twardość została proporcjonalnie obniżona), lecz nie wpływa istotnie na tzw. parametry warstwy (głębokość i szerokość na głębokości 0,03 mm). Wpływa natomiast na jej kształt: stosunek głębokości do szerokości warstwy, który dla stali E04J, 45 i N8E wynosił odpowiednio – 1,16; 0,97 i 0,69. Zawartość węgla wpłynęła również na charakter nieciągłości, w strefie zahartowanej po przetopieniu; w stalach o mniejszej zawartości C pojawiły się pęcherze, o większej – szczeliny. Badania wy-kazały ponadto, że zwiększenie prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera powoduje zmniejszenie głębokości zahartowanej warstwy.
Słowa kluczowe: stal węglowa, obróbka laserowa, obróbka cieplna, mikrostruktura, parametry procesu
Abstract
Laser treatment, particularly laser hardening, utilizes the high energy of laser radiation to heat small surfaces of the treated material as well as the material’s thermal conduc-tivity in order to achieve rapid cooling of the heated area. Specific conditions and effects of applying such treatment have made this technology attractive in many cases. This paper undertakes to assess the influence of the structural state of steel related to chemi-cal composition on the effects of laser treatment. The first part contains an assessment of carbon steel with varying carbon content, treated under relatively stable conditions; tests were performed on one machine (technological CO2 laser from TRUMPF), at a changing
surement was used to determine the layer’s parameters (depth and width at 0.3 mm depth), and observations of the structure of E04J, 15, 35, 45, 55, N7E and N8E steels were con-ducted under a light microscope. It was expected to determine the influence of carbon content in steel and the influence of laser beam heating intensity on the structure and properties of the layer hardened with melting of carbon steel, including after traditional tempering. Tests showed that increasing carbon content in carbon steels within the range of 0.04–0.70% C (E04J, 15, 35, 55 and N7E steels) increases hardness after laser hardening – respectively – by 314 HV0.1 to 1054 HV0.1 (after tempering, hardness was reduced proportionally), however it does not have a significant impact on the so-called layer parameters (depth and width at 0.03 mm depth). It does, however, affect its shape; the layer’s depth to width ratio was, respectively for E04J, 45 and N8E steels – 1.16; 0.97 and 0.69. Carbon content also affected the nature of discontinuities in the hardened zone after melting; bubbles appeared in steels with lower C content, and crevices in steels with higher C content. Tests also revealed that increasing laser beam travel speed reduces the depth of the hardened layer.
Keywords: carbon steel, laser treatment, heat treatment, microstructure, process para-meters
1. WPROWADZENIE
Laserowa obróbka cieplna obejmuje zabiegi wykonywane za pomocą wiązki promieniowania laserowego jako źródła ciepła, celem lokalnej zmiany struktury i właściwości materiału. W po-równaniu do obróbki cieplnej tradycyjnej (np. hartowanie z grzaniem w piecach oporowych lub indukcyjnie) w obróbce laserowej wykorzystane jest szybkie grzanie cienkiej warstwy do tempe-ratury austenityzowania i intensywne chłodzenie, z wykorzystaniem przewodności cieplnej harto-wanego materiału. Skutkiem tego odmienny jest przebieg mechanizmów umocnienia i przemian fazowych. W obróbce laserowej stali wyróżnia się [1, 2]:
− obróbkę cieplną laserową w stanie stałym, − obróbkę laserową z przetopieniem warstwy
wierzchniej materiału.
W pierwszym przypadku następuje nagrze-wanie do temperatury poniżej solidusu i chło-dzenia (z chwilą przerwania dostarczania ener-gii), skutkiem odprowadzania ciepła do niena-grzanej części materiału. Duże szybkości lasero-wego nagrzewania wpływają na kinetykę zmian, powodując powstanie gradientu temperatury i wzrost naprężeń własnych, a ponadto na zde-formowanie struktury i rozdrobnienie ziaren. Korzystne zmiany strukturalne powodują po-lepszenie właściwości warstwy wierzchniej wy-robu, zwłaszcza jego cech użytkowych.
1. INTRODUCTION
Laser heat treatment covers treatments per-formed by using a beam of laser radiation as a heat source in order to cause a local change in the material’s structure and properties. Compa-red to traditional heat treatment (e.g. hardening with heating in resistance furnaces or by induc-tion), laser treatment utilizes rapid heating of a thin layer up to austenitization temperature and intensive cooling thanks to the hardened material’s thermal conductivity. A divergent evo-lution of hardening mechanisms and phase trans-formations is a consequence of this. The follow-ing are distfollow-inguished in laser treatment of steel [1, 2]:
− laser heat treatment in solid state,
− laser treatment with melting of material’s sur-face layer.
In the first case, the material is heated to a temperature below the solidus line and cooled (with a break in energy supply) by carrying off the heat to the unheated part of the material. The high rates of laser heating affect the kinetics of changes, causing a temperature gradient to form and internal stresses to increase, as well as deforming the structure and refining grains. Be-neficial structural changes improve the properties of the product’s surface layer, particularly its func-tional features.
Obróbkę laserową z przetopieniem warstwy wierzchniej prowadzi się celem polepszenia właś-ciwości użytkowych materiału, np. odporności na korozję lub zużycie ścierne. Podczas przetapia-nia następuje również mieszanie materiału skut-kiem ruchów konwekcyjnych, wywołanych dużym gradientem temperatury pomiędzy cieczą a ma-teriałem jeszcze nieprzetopionym. Kierunkowe odprowadzenie ciepła podczas krzepnięcia po-woduje powstanie struktury złożonej z drobnych kryształów kolumnowych lub dendrytów. Podobne zmiany strukturalne można uzyskać podczas sto-powania laserowego: stapianie warstwy wierzch-niej stali z dodatkami stopowymi, np. dopro-wadzonymi w postaci proszku. W Instytucie Ob-róbki Plastycznej wspólnie z Instytutem Fraun-hofera (Fraunhofer Institut für Productions-technologie ITP, Aachen) przeprowadzono ocenę skutków stopowania stali narzędziowej do ob-róbki plastycznej na gorąco WCL [3, 4]. Przy zastosowaniu wielu mieszanek węglikowych uzys-kano warstwy wierzchnie odporne na zużycie ścierne, o składzie chemicznym zbliżonym do składu chemicznego stali szybkotnącej.
Mniej popularne, choć możliwe, jest wyża-rzanie lub odpuszczanie laserowe [2]. Wyżarza-nie laserowe stosuje się do precyzyjnej obróbki elementów drobnych, także z materiałów pół-przewodnikowych. W takich przypadkach szyb-kość chłodzenia winna być mniejsza od krytycz-nej. Natomiast odpuszczanie polega na nagrza-niu stali poniżej temperatury eutektoidalnej ce-lem poprawy odporności na pękanie, kosztem zmniejszenia twardości. Obróbka laserowa stali węglowych pozwala na otrzymanie właściwości porównywalnych do właściwości stali stopowych. Podgrzewanie laserowe twardych materiałów tuż przed zabiegami kształtującymi (np. przed skrawaniem) umożliwia obróbkę ubytkową na-wet węglików spiekanych i materiałów cera-micznych [5, 6].
W ramach prac realizowanych w Instytucie Obróbki Plastycznej i Instytucie Maszyn Robo-czych i Pojazdów Samochodowych Politechniki Poznańskiej przeprowadzono badania przyczyn-kowe, opisane w trzech częściach niniejszej pracy, obejmujących:
− obróbkę laserową stali węglowych,
Laser treatment with melting of the surface layer is performed in order to improve the ma-terial’s functional properties, e.g. corrosion resis-tance or resisresis-tance to abrasive wear. During melting, the material is also mixed by convection induced by the high temperature gradient between the liquid and still unmelted material. Directio-nal heat removal during solidification results in the formation of a structure consisting of fine column crystals or dendrites. Similar structural changes can be achieved during laser alloying; melting of the surface layer of steel with alloying ingredients, e.g. introduced in the form of powder. At the Metal Forming Institute, together with the Fraunhofer Institute (Fraunhofer Institut für Pro-ductionstechnologie ITP, Aachen), the effects of alloying WCL hot-work tool steel were assessed [3, 4]. Surface layers resistant to abrasive wear and with a chemical composition similar to the chemical composition of high-speed steel were obtained with the application of many carbide mixtures.
Laser annealing or tempering are less popu-lar, but possible [2]. Laser annealing is applied for precision treatment of small parts, including those made from semi-conductor materials. In such cases, the cooling rate should be lower than critical. Meanwhile, tempering is based on heat-ing steel below eutectoid temperature in order to improve resistance to cracking at the expense of hardness. Laser treatment of carbon steels makes it possible to obtain properties comparable to the properties of alloy steels. Laser heating of hard materials just before forming operations (e.g. before machining) enables removal machi-ning of even sintered carbides and ceramic ma-terials [5, 6].
As part of work performed at the Metal Forming Institute and the Institute of Machi-nery and Motor Vehicles of the Poznań Univer-sity of Science and Technology, contributing stu-dies were conducted, described in the three parts of this paper, covering:
− obróbkę laserową stali konstrukcyjnych sto-powych,
− obróbkę laserową stali narzędziowych sto-powych, także ze stopowaniem.
2. WPŁYW WARUNKÓW PROMIENIOWA-NIA NA SKUTKI OBRÓBKI LASEROWEJ STALI O RÓŻNEJ ZAWARTOŚCI WĘGLA
W niniejszej części pracy przeprowadzono ocenę wpływu zawartości węgla na skutki ob-róbki laserowej stali węglowej. Do badań wy-brano siedem gatunków stali o różnej zawar-tości węgla. Próbki z tych stali naświetlane były za pomocą lasera przy różnych prędkościach przemieszczania się wiązki. Badania miały dać odpowiedź na następujące pytania:
− czy i jak wpływa zawartość węgla na właści-wości stali po obróbce laserowej;
− jaki jest wpływ czasu naświetlania laserowe-go (prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera) na właściwości obrobionego fragmentu stali.
2.1. Materiał badany, warunki obróbki i spo-sób prowadzenia badań
Badania prowadzono w dwóch seriach: w pierwszej badano stale węglowe EO4J, 45 i N8E [7], w drugiej – stale E04J, 15, 35, 55 i N7E [8]. Oceniano materiał w stanie wyżarzonym hut-niczo i po zahartowaniu laserowym, w drugiej serii także po odpuszczaniu
Obróbkę laserową przeprowadzono za po-mocą lasera technologicznego firmy TRUMPF w Laboratorium Techniki Laserowej Politech-niki Poznańskiej, stosując moc i szerokość wiąz-ki laserowej, odpowiednio – 1300 W i 1 mm, oraz cztery prędkości przesuwu tej wiązki: 16, 24, 32 i 64 mm/s. Skutki obróbki laserowej oce-niano metodą pomiaru twardości HV0,1, mie-rząc szerokość i głębokość ścieżki stref grzania laserowego; szerokość na głębokości 0,03 mm od powierzchni. Ponadto prowadzono obserwacje tych warstw za pomocą mikroskopu świetlnego.
− laser treatment of constructional alloy steels, − laser treatment of alloy tool steels, including
by alloying.
2. INFLUENCE OF RADIATION CONDITIONS ON THE EFFECTS OF LASER TREATMENT OF STEELS WITH VARIOUS CARBON CONTENT
This part of the paper gives an assessment of the influence of carbon content on the effects of laser treatment of carbon steel. Seven grades of steel with different carbon contents were se-lected for tests. Specimens made of these steels were illuminated by the laser at different beam speeds. Tests were to provide an answer to the following questions:
− does carbon content affect the properties of steel after laser treatment and how;
− what is the influence of laser illumination time (travel speed of the laser beam) on the properties of the treated area of steel.
2.1. Tested material, treatment conditions and testing method
Tests were conducted in two series; in the first, EO4J, 45 and N8E carbon steels were tested [7], and in the second – E04J, 15, 35, 55 and N7E steels [8]. The material was also assessed in mill-annealed state and after laser hardening, and also after tempering in the second series.
Laser treatment was performed by means of a technological laser from TRUMPF at the La-ser Technology Laboratory of Poznań Univer-sity of Science and Technology, using laser beam power and width of, respectively, 1300 W and 1 mm, as well as four beam travel speeds: 16, 24, 32 and 64 mm/s. The effects of laser treatment were assessed using the HV0.1 hardness measurement method by measuring width and depth on the path of laser heating zones; width at a depth of 0.03 mm from the surface. Furthermore, these layers were observed under a light microscope.
2.2. Wyniki badań
2.2.1. Stale E04J, 45 i N8E
Oceniono skutki obróbki laserowej stali węglowych w stanie wyżarzonym o różnej za-wartości węgla (w przybliżeniu – 0,04%, 0,45% i 0,8% C) [7]. Badania wykazały, że w tym przy-padku wzrost zawartości węgla nie spowodował proporcjonalnego wzrostu twardości, jak to miało miejsce w materiale wyjściowym (rys. 1). Mniej-sza twardość zahartowanej stali N8E, w porów-naniu ze stalą 45, spowodowana była prawdopo-dobnie pojawieniem się austenitu szczątkowego.
2.2. Test results
2.2.1. E04J, 45 and N8E steels
The effects of laser treatment of carbon steels in annealed state with different carbon contents (in approximation – 0.04%, 0.45% and 0.8 % C) were assessed [7]. Investigations showed that, in this case, an increase in carbon content did not cause a proportional increase in hardness, as was the case in the starting material Fig. 1. The lower hardness of hardened N8E steel, in comparison to 45 steel, was probably due to the appearance of retained austenite.
Rys. 1. Twardość stali (o wzrastającej zawartości C) w stanie wyżarzonym i po dodatkowej obróbce laserowej z prędkością przemieszczania wiązki 32 mm/s: W – stan wyżarzony, L – po obróbce laserowej Fig. 1. Hardness of steel (with increasing C content) in annealed state and after additional laser treatment
at beam travel rate 32 mm/s: W – annealed state, L – after laser treatment
Metodą pomiaru twardości wyznaczono „parametry” warstwy wierzchniej po obróbce laserowej: głębokość (G) i szerokość (S) zaharto-wanej warstwy. Na rys. 2 pokazano (przykład) zmianę twardości w głąb warstwy wierzchniej materiału G (rys. 2a) i na szerokości ścieżki, w od-ległości 0,3–0,5 mm od powierzchni S (rys. 2b) stali E04J, po obróbce laserowej z prędkością przemieszczania się wiązki 24 mm/s. Podobnie, lecz przy różnych prędkościach, wyznaczono war-tości parametrów G i S, pozostałych badanych materiałów. Badania wykazały, że węgiel, do zawartości węgla do 0,45%, powoduje na ogół wzrost ww. parametrów, a ich zmniejszenie po-wyżej tej wartości (N8E) – podobnie jak w przy-padku twardości – może być powodowane zmia-ną właściwości materiału lub zmiazmia-ną warunków grzania.
The “parameters” of the surface layers after laser treatment as well as the depth (G) and width (S) of the hardened layer were determined by hardness measurement. Fig. 2 shows (an exam-ple of) the change in hardness across the depth of the material’s surface layer G (Fig. 2a) and across the width of the path, at a distance of 0.3–0.5 mm from the surface S (Fig. 2b), of E04J steel after laser treatment at beam travel speed 24 mm/s. The values of the G and S parameters of other tested materials were determined similarly, but at different speeds. Tests showed that, up to a car-bon content of 0.45%, carcar-bon generally causes the aforementioned parameters to rise, and their reduction above this carbon content value (N8E) – similarly as in the case of hardness – may be due to change of the material’s properties or change of heating conditions. T w ar d o ść , H V 0, 1 / H a rd n es s , H V 0 .1
a) b)
Rys. 2. Wymiary warstwy zahartowanej stali E04J: a) – twardość w odległość od powierzchni, b) – twardość na szerokości warstwy, na głębokości 0,03 mm; prędkość przemieszczania się wiązki światła lasera – 24 mm/s
Fig. 2. Dimensions of hardened layer of E04J steel: a) – hardness at distance from surface, b) – hardness over width of layer, at a depth of 0.03 mm; laser beam travel speed – 24 mm/s
Rys. 3. Wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera na głębokość warstwy zahartowanej stali E04J, 45 i N8E Fig. 3. Influence of laser beam travel speed on depth of hardened layer of E04J, 45 and N8 steel
Na rys. 3 przedstawiono wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła laserowego na głębokość zahartowanej warstwy badanych stali. Wynika z niego, że zwiększenie tej pręd-kości i wzrost zawartości węgla powodują zmniejszenie głębokości warstwy zahartowanej stali: „najgłębiej” hartowała się stal 45. Zmienia się również szerokość zahartowanej warstwy oraz stosunek głębokości do szerokości wars-twy mierzonej na głębokości 0,03 mm: średnia wartość tego stosunku dla stali E04J, 45 i N8E wynosi odpowiednio – 1,16, 0,97 i 0,69.
Fig. 3 presents the influence of laser beam travel speed on the depth of the hardened layer of the tested steels. It shows that increasing this speed and increasing carbon content reduce the depth of the hardened layer of steel: 45 steel had the “deepest” hardening. The width of the har-dened layer and layer depth to width ratio mea-sured at a depth of 0.03 mm also change; the mean values of this ratio for E04J, 45 and N8E steels are, respectively – 1.16, 0.97 and 0.69.
T w ar do ść , H V 0, 1 / H ar dn es s, H V 0. 1 T w ar do ść , H V 0, 1 / H ar dn es s, H V 0. 1
Odległość od powierzchni, mm / Distance from surface, mm Szerokość ścieżki, mm / Path width, mm
G łę bo ko ść s tr ef y za ha rt ow an ej , m m D ep th o f h ar de ne d zo ne , m m
a) b)
c)
Rys. 4. Struktura warstwy wierzchniej po obróbce laserowej stali: a) – E04J, b) – 45, c) – N8E; prędkość przemieszczania się wiązki światła lasera – 32 mm/s, pow. 100 x
Fig. 4. Structure of surface layer after laser treatment of steel: a) – E04J, b) – 45, c) – N8E; laser beam travel speed – 32 mm/s, mag. 100 x
Rys. 4 przestawia strukturę warstwy zahar-towanej laserowo stali E04J, 45 i N8E z widocz-nymi strefami przetopienia i ulegającej prze-mianie w stanie stałym. W stali E04J (rys. 4a) widoczna jest ciemna strefa przetopiona przed ochłodzeniem, otoczona obszarem nieprzeto-pionym, w którym widoczne są mocniej trawią-ce się nieliczne ziarna zahartowane jako skutek różnej zawartości węgla. W strefie przetopionej zaobserwowano także pęcherz powstały prawdo-podobnie w wyniku skurczu warstwy i pozosta-łych w niej gazów. W pozostapozosta-łych warstwach stali E04J takich nieciągłości nie zaobserwowano.
W przypadku stali 45 (rys. 4b) w przetopio-nej i zahartowaprzetopio-nej części warstwy widać również niewielką nieciągłość, w dolnej jej części. W ob-szarze otaczającym część przetopioną struktura zawiera ziarna martenzytu na tle ferrytycznej osnowy. Widać ponadto, że ziarna w tej strefie zachowały wielkość jaką miały przed obróbką laserową. W zahartowanej laserowo stali N8E (rys. 4c) warstwy przejściowej nie zaobserwowano, zmienił się natomiast jej kształt (stosunek gru-bości do szerokości warstwy).
Fig. 4 presents the structure of the laser-hardened layer of E04J, 45 and N8E steel, with visible melting zones and zones undergoing trans-formation in solid state. A dark zone melted prior to cooling is visible in E04J steel (Fig. 4a), surrounded by an unmelted area in which sparse hardened grains are visible, which undergo greater etching, as a result of differing carbon content. A bubble was also observed in the melted zone, probably formed as a result of contraction of the layer and the gases remaining therein. No such discontinuities were observed in the other layers of E04J steel.
In the case of 45 steel (Fig. 4b), a small dis-continuity is also found in the lower part of the melted and hardened zone of the layer. In the area surrounding the melted part, the structure contains martensite grains in a ferritic matrix. It can also be seen that grains in this zone maintained the size that they had before laser treatment. In laser-hardened N8E steel (Fig. 4c), no transitional layer was observed, however its shape (layer thickness to width ratio) changed.
a) b)
c)
Rys. 5. Struktura przetopionego laserowo i zahartowanego obszaru warstwy stali: a) – E04J, b) – 45, c) – N8E; prędkość przemieszczania się wiązki światła lasera – 16 mm/s, pow. 500 x
Fig. 5. Structure of laser-melted and hardened area of steel layer: a) - E04J, b) – 45, c) – N8E; laser beam travel speed – 16 mm/s, mag. 500 x
Na rys. 5 pokazano struktury przetopionego i zahartowanego obszaru warstwy badanych stali. Na mikrofotografiach zgładów trawionych w jed-nakowych warunkach widać wyraźne różnice struktur po zahartowaniu stali o różnej zawar-tości węgla. W stali E04J (rys. 5a) o zawarzawar-tości około 0,04% C widoczne są obszary niskowęglo-wego martenzytu. W stali 45 (rys. 5b) martenzyt występuje w całym obszarze, a w stali N8E (rys. 5c) warstwa zahartowana nie ulegała trawieniu. Moż-na przypuszczać, że struktura stali N8E, w prze-topionym i zahartowanym obszarze warstwy, za-wiera martenzyt z dużą ilością austenitu szcząt-kowego. Na mikrofotografii zauważyć można po-nadto słabo zarysowaną strukturę dendrytyczną.
2.2.2. Stale E04J, 15, 35, 55 i N7E
W drugiej serii badań oceniono skutki ob-róbki laserowej stali węglowych o zawartości (w przybliżeniu): 0,04%, 0,15%, 0,35%, 0,55% i 0,70% C. Stale hartowano według warunków jak poprzednio, lecz w tym przypadku – po zahar-towaniu laserowym – zastosowano dodatkowo
Fig. 5 shows the structures of the melted and hardened area of the layer of the tested steels. Microphotographs of specimens etched under iden-tical conditions reveal clear differences in structure after hardening of steels with different carbon con-tent. Areas of low-carbon martensite are visible in E04J steel (Fig. 5a), which has a carbon content of approx. 0.04 % C. In 45 steel (Fig. 5b), marten-site is present throughout the entire area, and in N8E steel (Fig. 5c), the hardened layer did not un-dergo etching. It can be presumed that the struc-ture of N8E steel in the melted and hardened area of the layer contains martensite with a large amount of retained austenite. Furthermore, a weak outline of the dendritic structure can be observed on the microphotograph.
2.2.2. E04J, 15, 35, 55 and N7E steels
In the second series of tests, the effects of la-ser treatment of carbon steels with the following (approximate) contents were assessed: 0.04%, 0.15%, 0.35%, 0.55% and 0.70% C. Steels were hardened under the same conditions as before, but in this case – after laser hardening – traditional temper-
tradycyjne odpuszczanie próbek w temperaturze 450oC w ciągu jednej godziny. Badania wykazały (rys. 6), że średnia twardość zahartowanej wars-twy stali E04J, 15, 35, 55 i N7E wzrasta w całym przedziale zawartości węgla 0,04–0,70% od 314 HV0,1 dla stali E04J do 1064 HV0,1 dla stali N7E. Odpuszczanie spowodowało, również wzrasta-jąco, zmniejszenie twardości o 50 jednostek HV0,1 dla stali E04J do około 450 takich jednostek w przypadku stali N7E.
ing of specimens at a temperature of 450oC over one hour was additionally applied. Tests showed (Fig. 6) that the mean hardness of the hardened layer of E04J, 15, 35, 55 and N7E steel increases within the entire range of carbon content 0.04– 0.70%, from 314 HV0.1 for E04J steel to 1064 HV0.1 for N7E steel. Tempering also caused re-duction of hardness ranging from 50 HV0.1 for E04J steel to approx. 450 HV0.1 in the case of N7E steel.
Rys. 6. Twardość HV0,1 stali E04J, 15, 35, 55 i N7E po zahartowaniu laserowym (H) i po zahartowaniu z dodatkowym odpuszczaniem w temperaturze 450oC w ciągu jednej godziny (H+O)
Fig. 6. HV0.1 hardness of E04J, 15, 35, 55 and N7E steel after laser hardening (H) and after hardening with additional tempering at 450oC over one hour (H+O)
Podobnie jak poprzednio mierzono para-metry (głębokość i szerokość) laserowo zaharto-wanej warstwy. Na rys. 7 przedstawiono wpływ prędkości przemieszczania się wiązki światła la-sera i zawartości węgla związanego z gatunkiem stali (E04J do N7E) na głębokość zahartowanej warstwy. Z rysunku wynika, że wpływ prędkości jest wyraźny; powoduje zmniejszenie głębokości warstwy. Natomiast różnice w zawartości węgla nie miały – w tym przypadku – istotnego znaczenia.
Similarly, as before, the parameters (depth and width) of the laser-hardened layer were mea-sured. Fig. 7 presents the influence of laser beam travel speed and carbon content, related to the steel grade (E04J to N7E) on the depth of the har-dened layer. The drawing shows that the influence of speed is clear; it reduces the depth of the layer as it increases. Meanwhile, differences in carbon content were not significant in this case.
Rys. 7. Głębokość strefy zahartowanej warstwy dla różnych prędkości przesuwania się wiązki lasera (mm/s) stali E04J, 15, 35, 55 i N7E Fig. 7. Depth of the hardened zone of the layer for different laser beam travel speeds (mm/s) in E04J, 15, 35, 55 and N7E steels
T w ar d o ść , H V 0, 1 / H a rd n es s , H V 0 .1 G łe b o ko ść s tr ef y za h ar to w an ej , m m D ep th o f th e h a rd en ed z o n e , m m
Podczas obserwacji warstw po obróbce lase-rowej nie zauważono różnic w strukturze bada-nych stali w porównaniu do tych, jakie obserwo-wano powyżej (2.1). W stalach o zawartości węgla 15, 35 i 55 struktury były podobne do struktur stali 45 (rys. 5b), z taką tylko różnicą, że udział ferrytu w stali 15 był większy, a w stali 55 zniko-my, w porównaniu do stali 45. Zaobserwowano natomiast, że udział węgla w stali wpływa na charakter nieciągłości występujący w zahartowa-nej części warstwy; w stalach o mniejszej zawar-tości C w dolnej części warstwy stali E04J i 35 występowały pęcherze (rys. 8a), natomiast w sta-lach 55 i N7E – szczeliny (rys. 8b), co wskazy-wałoby, że w tym przypadku istotne znaczenia miały naprężenia własne, powstające podczas chłodzenia warstwy. W stalach niskowęglowych większe znaczenie miała kumulacja gazów. Stwier-dzono ponadto, że wady takie występują przede wszystkim po hartowaniu z mniejszą prędkością przemieszczania się wiązki światła lasera.
During observation of layers after laser treat-ment, no differences in the structures of the tes-ted steels were observed compared to the struc-tures observed before (2.1). In steels with 15, 35 and 55 carbon content, structures were similar to the structures of 45 steel (Fig. 5b), with the only difference being that the share of ferrite was greater in 15 steel and negligible in 55 steel in comparison to 45 steel. It was also observed that carbon content in steel affects the nature of dis-continuities occurring in the hardened part of the layer; in steels with lower C content, bubbles were present in the lower part of the layer in E04J and 35 steels (Fig. 8a), while in 55 and N7E steels – there are crevices (Fig. 8b), which would indicate that internal stresses occurring during cooling of the layer played a significant role in this case. Gas accumulation was of greater importance in low-carbon steels. It was also de-termined that such defects occur, above all, after hardening at lower laser beam travel speed.
a) b)
Rys. 8. Wady w warstwie zahartowanej laserowo stali przy zastosowaniu prędkości przesuwania się wiązki światła lasera – 16 mm/s; stale: a) – E04J, b) – N7E; pow. 100 x
Fig. 8. Defects in the laser-hardened layer of steel after application of laser beam travel speed – 16 mm/s; steels: a) – E04J, b) – N7E; mag. 100 x
3. PODSUMOWANIE
Ocenę wpływu zawartości węgla oraz pręd-kości przemieszczania się wiązki światła lasera oceniono w dwóch seriach doświadczenia. W pier-wszej zbadano stale E04J, 45 i N8E, w drugiej – stale E04J, 15, 35, 55 i N7E. Skutki obróbki lase-rowej stali (hartowanie oraz hartowanie i od-puszczanie) oceniano, mierząc twardość HV0,1, parametry warstwy (głębokość i szerokość na głębokości 0,03 mm) oraz oceniono strukturę za pomocą mikroskopu świetlnego.
3. SUMMARY
Assessment of the influence of carbon content and laser beam travel speed was conducted in two series of the experiment. In the first, E04J, 45 and N8E carbon steels were tested, and in the second – E04J, 15, 35, 55 and N7E steels. The effects of laser treatment of steel (hardening as well as hardening and tempering) were assessed by mea-suring HV0.1 hardness (layer parameters of depth and width at 0.03 mm depth), and the structure was assessed under a light microscope.
Badania wykazały, że:
− wzrost zawartość węgla w stali węglowej w przedziale 0,04% do 0,70% C (stale E04J, 15, 35, 55 i N7E) powoduje wzrost twardości stali – odpowiednio – od 314 do 1054 HV0,1; po odpuszczaniu twardość warstwy została ob-niżona, choć tendencja zmian została nadal utrzymana (rys. 6); w pierwszej serii badań (rys. 1) – zaobserwowano mniejszą twardość zahartowanej stali N8E, o większej zawartości węgla; powodem (prawdopodobnie) była obec-ność austenitu szczątkowego;
− wzrost zawartości węgla w stali węglowej nie wpłynął na wartość parametrów zahartowa-nej części warstwy, na głębokość i szerokość warstwy na głębokości 0,03 mm (rys. 3 i 7); wpłynął natomiast na kształt zahartowanej części warstwy (rys. 4); średnie wartości sto-sunków głębokości do szerokości warstwy dla stali E04J, 45 i N8E wynosiły odpowiednio – 1,16, 0,97 i 0,69;
− struktura zahartowanej stali w miejscu prze-topionym zawierała martenzyt, natomiast w stre-fach przejściowych – zahartowanych w stanie stałym – występował martenzyt z pewną iloś-cią ferrytu, malejącą ze wzrostem zawartości węgla (rys. 4 i 5);
− zawartość węgla w stali wpływa na charakter nieciągłości powstałych w strefie przetopionej (rys. 8); w stalach o mniejszej zawartości C pojawiły się pęcherze, o większej – szczeliny; pierwsze były prawdopodobnie skutkiem gro-madzenia się gazów w stanie płynnym, dru-gie skutkiem występowania naprężeń w sta-nie stałym;
− wzrost prędkości przemieszczania się wiązki światła lasera powoduje (prawie proporcjo-nalne) zmniejszenie głębokości warstwy ob-robionej laserowo (rys. 3 i 7).
PODZIĘKOWANIA
Badania zrealizowano w ramach pracy własnej.
Tests showed that:
− Increasing carbon content in carbon steel wi-thin the range of 0.04% to 0.70% C (E04J, 15, 35, 55 and N7E steels) causes growth of steel hardness – respectively – from 314 to 1054 HV0.1; after tempering, the layer’s hardness was reduced, although the tendency of changes was preserved (Fig. 6); In the first series of tests (Fig. 1) – lower hardness of hardened N8E steel, which has higher carbon content, was observed; the (probable) reason for this was the presence of retained austenite;
− increasing carbon content in carbon steel did not affect parameter values of the hardened part of the layer, on the depth of width of the layer at 0.03 mm depth (Fig. 3 and 7); mean-while, it did affect the shape of the hardened part of the layer (Fig. 4); mean values of layer depth to width ratios for E04J, 45 and N8E steels were, respectively – 1.16; 0.97 and 0.69; − the structure of hardened steel contained mar-tensite in the melted area, and in transitional areas – hardened in solid state – martensite was present alongside a certain amount of ferrite, which decreased as carbon content in-creased (Fig. 4 and 5);
− carbon content in steel affects the nature of discontinuities formed in the melted zone (Fig. 8); bubbles appeared in steels with lower C content, and crevices in steels with higher C content; the former was probably the result of gas accumulation in the liquid state, and the latter the result of stresses in solid state; − increasing laser beam travel rate causes (nearly
proportionally) reduction of the thickness of the laser-treated layer (Fig. 3 and 7).
ACKNOWLEDGEMENTS
Research conducted as a part of the Metal For-ming Institute Work Program.
LITERATURA
1. Burakowski T., T. Wierzchoń. 1995. Inżynieria powierzchni metali. Warszawa: WNT.
2. Kusiński J. 2000. Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT.
3. Berkowski L. 1996. Investigation on the improvement of plastic working tool durability. Part II: Made in Forming Metal Institute. Aachen – Poznań. 4. Berkowski L., A. Żaboklicki. 1997. „Badania nad
zastosowaniem techniki laserowej w obróbce robo-czych powierzchni narzędzi kuźnirobo-czych”. Obróbka Plastyczna Metali 8 (3): 19–26.
5. Kawalec M. i in. 2004. „Zastosowanie lasera techno-logicznego CO2 do doskonalenia właściwości
war-stwy wierzchniej stali oraz wspomagania toczenia twardej ceramiki konstrukcyjnej Si3N4”. Archiwum
Technologii Maszyn i Automatyzacji 24 (2): 139–157. 6. Kawalec M. i in. 1999. Wykorzystanie techniki
laserowej w technologii i eksploatacji elementów maszyn oraz w fizyce półprzewodników. Praca Poli-techniki Poznańskiej. Poznań.
7. Kita A. 2001. Obróbka laserowa stopów żelaza o róż-nej zawartości węgla z wykorzystaniem na elementy pojazdów. Praca dyplomowa. Poznań: Politechnika Poznańska.
8. Tarkowski K. 2001. Wpływ składu chemicznego wy-branych stali stosowane na elementy samochodowe na skutki obróbki laserowej. Praca dyplomowa. Poznań: Politechnika Poznańska.
REFERENCES
1. Burakowski T., T. Wierzchoń. 1995. Inżynieria powierzchni metali. Warszawa: WNT.
2. Kusiński J. 2000. Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Kraków: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT.
3. Berkowski L. 1996. Investigation on the improvement of plastic working tool durability. Part II: Made in Forming Metal Institute. Aachen – Poznań. 4. Berkowski L., A. Żaboklicki. 1997. „Badania nad
zastosowaniem techniki laserowej w obróbce robo-czych powierzchni narzędzi kuźnirobo-czych”. Obróbka Plastyczna Metali 8 (3): 19–26.
5. Kawalec M. i in. 2004. „Zastosowanie lasera techno-logicznego CO2 do doskonalenia właściwości
war-stwy wierzchniej stali oraz wspomagania toczenia twardej ceramiki konstrukcyjnej Si3N4”. Archiwum
Technologii Maszyn i Automatyzacji 24 (2): 139–157. 6. Kawalec M. i in. 1999. Wykorzystanie techniki
laserowej w technologii i eksploatacji elementów maszyn oraz w fizyce półprzewodników. Work of Poznań University of Technology. Poznań. 7. Kita A. 2001. Obróbka laserowa stopów żelaza o
róż-nej zawartości węgla z wykorzystaniem na elementy pojazdów. Thesis. Poznań: Poznań University of Technology.
8. Tarkowski K. 2001. Wpływ składu chemicznego wy-branych stali stosowane na elementy samochodowe na skutki obróbki laserowej. Thesis. Poznań: Poznań University of Technology.
