Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 3 2007

SELECTION PARAMETERS OVERLAYING WELDING LASER STEEL POWDERS CHROMIUM AND NICHROME WITH MAKE USE OF THE DIODE LASER LARGE POWER Zdzisáaw Bogdanowicz, Krzysztof Grzelak, Stanisáaw Kowalczyk Military University of Technology Faculty of Mechanical Engineering Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland tel.: +48 22 6839048, 6837685, fax:+48 22 6837366 e-mail: [email protected], [email protected] [email protected] Abstract This work presents the results of research concerning the influence of parameters laser process melting the surface layer using powder of metal as a welding material. Facing by welding test were conducted on high-quality carbon steel commonly used on vehicles elements and on austenitic steel used on combustion engines elements. The powder of chromium of chemical constitution 99% Cr and powder of nichrome of chemical constitution 75% Ni, 20%Cr, 5% Al were used in this research. The process of the overlaying by welding was conducted with the use of HDPL diode laser of large power. Facing by welding process variables are: power of laser beam and quantity of passed powder. The results of influence of these parameters on shape and geometrical properties created layer are presented on graphs, which were based on metallographic pictures of microsection metallographic. The research for chosen samples was conducted on microhardness as well as analysis of structure obtained surfaces. The analysis of results of microhardness measurement permits to affirm the considerable growth of hardness of obtained surface in case of welding the surfaces by powder Cr as well as the fall of hardness in case of using the powder NiCr in relation to the base material. The observation of microstructure showed the dendritic structure after surfaces by welding Cr and hardening the base material (steel 45) as a result of influence of the laser beam. The analysis of microstructure after surfaces by welding NiCr showed the considerable porosity as well as a small influence on the structure of the base material, presented by an insignificant growth of crystallites in weld interface (the austenitic steel). Keywords: diode laser, metal powders, surfacing by welding, structure, properties

DOBÓR PARAMETRÓW NATAPIANIA LASEROWEGO STALI PROSZKAMI CHROMU I NICHROMU Z WYKORZYSTANIEM LASERA DIODOWEGO DUĩEJ MOCY Streszczenie W pracy opisano wyniki badaĔ wpáywu parametrów procesu laserowego przetapiania warstwy wierzchniej z uĪyciem, jako materiaáu natapianego, proszku metalu. W badaniach uĪyto proszku chromu o skáadzie 99%Cr oraz proszku ni-chromu o skáadzie 75%Ni, 20%Cr, 5%Al. Próby natapiania przeprowadzono na stali wĊglowej wyĪszej jakoĞci, powszechnie stosowanej na elementy pojazdów mechanicznych oraz na stali austenitycznej wykorzystywanej na niektóre elementy silników pojazdów samochodowych. Proces natapiania przeprowadzono z uĪyciem lasera diodowego duĪej mocy HDPL. Zmiennymi w procesie napawania byáy: moc wiązki lasera oraz iloĞü podawanego proszku. Wyniki wpáywu tych parametrów na ksztaát i wáaĞciwoĞci geometryczne utworzonej warstwy przedstawiono w postaci wykresów, na podstawie zdjĊü metalograficznych zgáadów poprzecznych wykonanych próbek. Dla wybranych próbek przeprowadzono badania mikrotwardoĞci oraz analizĊ struktury uzyskanych warstw. Analiza wyników pomiaru mikrotwardoĞci pozwala stwierdziü znaczny wzrost twardoĞci uzyskanej warstwy w wypadku natapiania proszkiem Cr oraz spadek twardoĞci w odniesieniu do proszku NiCr w stosunku do materiaáu podáoĪa. Obserwacja mikrostruktury wykazaáa budowĊ dendrytyczną warstwy Cr oraz hartowanie materiaáu podáoĪa (stal 45) w wyniku oddziaáywania wiązki lasera. Analiza mikrostruktury warstwy NiCr wykazaáa znaczną porowatoĞü oraz niewielki wpáyw na strukturĊ materiaáu podáoĪa (stal austenityczna - nieznaczny rozrost ziaren w strefie przejĞciowej). Sáowa kluczowe: laser diodowy, proszki metalu, natapianie warstw, struktura, wáaĞciwoĞci

Z. Bogdanowicz, K. Grzelak, S. Kowalczyk

1. WstĊp Wzrost obciąĪeĔ eksploatacyjnych powoduje wzrost wymogów konstrukcyjno-technologicznych stawianych podzespoáom pojazdów samochodowych. Wpáywa to na koniecznoĞü szukania coraz to nowszych rozwiązaĔ w zakresie zwiĊkszenia ich trwaáoĞci. Materiaáy konstrukcyjne w zaleĪnoĞci od charakteru pracy elementu pojazdu powinny charakteryzowaü siĊ duĪą wytrzymaáoĞcią, duĪą twardoĞcią i odpornoĞcią na Ğcieranie, a w okreĞlonych warunkach duĪą odpornoĞcią na korozje i odpornoĞcią na dziaáanie wysokich temperatur. Ciągáy rozwój inĪynierii materiaáowej pozwala na dobór odpowiednich materiaáów lub wybór odpowiedniego sposobu ksztaátowania wáaĞciwoĞci materiaáu, tak aby speániaá on okreĞlone kryteria. Jedną z metod ksztaátowania wáaĞciwoĞci uĪytkowych elementów maszyn jest nanoszenie warstw metalicznych. Warstwy są nanoszone na najbardziej obciąĪone miejsca danego elementu. Metoda ta jest bardzo ekonomiczna, gdyĪ pozwala uzyskiwaü warstwy o wysokich wáaĞciwoĞciach uĪytkowych w ĞciĞle okreĞlonych miejscach elementu wykonanego z relatywnie taniego materiaáu. TechnikĊ tą moĪna z powodzeniem stosowaü równieĪ w regeneracji zuĪytych elementów pojazdów samochodowych. Wytwarzanie warstw realizuje siĊ róĪnymi metodami m.in. spawalniczymi, cieplnymi, fizycznymi i chemicznymi. W procesach produkcji elementów oraz regeneracji podzespoáów szerokie zastosowanie znalazáy metody spawalnicze (natapianie, napawanie), w których coraz czĊĞciej wykorzystuje siĊ wiązkĊ lasera. Ciągáy rozwój urządzeĔ laserowych sprawia, iĪ są one coraz taĔsze i znajdują szerokie zastosowanie, takĪe w przemyĞle maszynowym. Jednym z takich, stosunkowo tanich, urządzeĔ laserowych jest laser diodowy duĪej mocy HPDL, który znalazá szerokie zastosowanie w przemyĞle spawalniczym ze wzglĊdu na ekonomicznoĞü i wysoką jakoĞü procesu. Do zalet napawania i natapiania laserowego moĪna zaliczyü ograniczony wpáyw oddziaáywania cieplnego wiązki lasera na przedmiot, w wyniku czego uzyskuje siĊ maáe naprĊĪenia i odksztaácenia elementu po obróbce. Szybkie odprowadzenie ciepáa powoduje powstanie bardzo drobnoziarnistej struktury napoiny o duĪej czystoĞci metalurgicznej. DziĊki duĪym moĪliwoĞciom sterowania procesem moĪna ograniczyü udziaá materiaáu podáoĪa w napoinie do ok. 4%, co pozwala na uzyskanie warstwy wierzchniej o Īądanych wáaĞciwoĞciach, juĪ w pierwszej warstwie napoiny. Zastosowanie Ğwiatáowodu w doprowadzaniu wiązki laserowej do gáowicy daje moĪliwoĞü zautomatyzowania i zrobotyzowania procesu spawalniczego [3,4,5]. Jako materiaá natapiany stosuje siĊ róĪne pierwiastki, które modyfikują skáad chemiczny, strukturĊ oraz wáasnoĞci wytworzonej w ten sposób warstwy wierzchniej (WW). Z danych literaturowych wynika, Īe po wprowadzeniu do WW pierwiastków takich jak azot [7], krzem [2], kobalt [6], chrom [8] oraz róĪnego rodzaju kompozycje pierwiastków Co-Cr-W-Si [9], Ni-Cr-Al.Fe [1] polepsza siĊ w istotny sposób takie wáaĞciwoĞci jak: twardoĞü, odpornoĞü na zuĪycie i korozjĊ. Chrom naleĪy do najczĊĞciej stosowanych dodatków stopowych w stalach oraz jako materiaá stopowany lub napawany na elementy maszyn ze wzglĊdu m.in. na swą niską cenĊ, znacząco poprawiając wáaĞciwoĞci uĪytkowe WW. Chrom tworzy w stali róĪne odmiany wĊglików np. Cr23C6, Cr7C3 itp., zwiĊksza on hartownoĞü stali oraz przy duĪych zawartoĞciach, powyĪej kilkunastu procent, zapewnia antykorozyjnoĞü i ĪarowytrzymaáoĞü stali. Zapewnia stali odpowiednią twardoĞü oraz poprawia odpornoĞü na utlenianie poprzez wytworzenie na powierzchni cienkiej warstwy tlenków chroniąc materiaá przed dalszym utlenianiem. Poprzez zwiĊkszenie hartownoĞci i odpuszczalnoĞci stali, na skutek dodania chromu i tworzenia siĊ twardych wĊglików, zwiĊksza on odpornoĞü na Ğcieranie i zuĪycie w podwyĪszonych temperaturach. DuĪa zawartoĞü chromu powyĪej 25% powoduje kruchoĞü stali. Aby temu przeciwdziaáaü wprowadza siĊ czĊsto dodatek niklu. Poprawia on wáaĞciwoĞci plastyczne stali osáabione przez chrom, zwiĊksza udarnoĞü. ZwiĊksza ĪaroodpornoĞü stali i poprawia hartownoĞü zwáaszcza w obecnoĞci Cr. Nikiel jest pierwiastkiem austenitotwórczym. Dlatego teĪ do wytwarzania WW czĊsto stosuje siĊ oba te pierwiastki jednoczeĞnie stosując np. natapianie proszków NiCr. 74

Selection Parameters Overlaying Welding Laser Steel Powders Chromium and Nichrome With Make…

2. Przebieg badaĔ Celem badaĔ byáo okreĞlenie wpáywu parametrów napawania na ksztaát i jakoĞü napoiny oraz wáasnoĞci WW wykonanej w procesie laserowego natapiania stali wĊglowej i stopowej proszkami chromu i nichromu. Przedmiotem badaĔ byáy próbki w ksztaácie prostopadáoĞcianu, wykonane ze stali wĊglowej wyĪszej jakoĞci 45 (skáad chemiczny w Tab. 1) powszechnie stosowanych w produkcji wielu elementów pojazdów samochodowych, np. kóá zĊbatych, waáków itp. Próbki te byáy napawane proszkiem chromu o skáadzie 99%Cr. Próbki napawane ni-chromem o skáadzie 75%Ni, 20%Cr, 5%Al, miaáy ksztaát póá-cylindryczny (I20x30), wykonane byáy ze stali zaworowej 50H21G9N4 (skáad chemiczny w Tab. 1) stosowanej w produkcji m.in. zaworów wydechowych silników spalinowych: np. silnika lotniczego ASz-62, silników pojazdów samochodowych SW 680. Tab. 1. Stale - skáad chemiczny (PN-71/H-86022) Tab. 1. Steel-chemical constitution

Znak stali C 45 0,42-0,5 50H21G9N4 0,47-0,57

Mn 0,5-0,8 8,0-11,0

ZawartoĞü skáadnika % Si Cr Ni 0,1-0,4 max 0,3 max 0,3 max 0,5 20,0-22,0 3,25-4,50

inne Mo: 0,1; Al: 0,05 N: 0,38-0,50

Tab. 2. Parametry procesu natapiania Tab. 2. Variables of a process overlaying welding

Oznaczenie P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13

Moc wiązki laserowej [W] 1200 1400 1600 1800 1400 1600 1800 2000 1200 1400 1600 1800 2000

Proszek Cr NatĊĪenie podawania prĊdkoĞü proszku [g/min] napawania [m/min] 4,0

6,0

uwagi

stopowanie

0,2

2,0

napawanie

stopowanie

Proszek NiCr Oznaczenie

moc [W]

NatĊĪenie podawania proszku q [g/min]

prĊdkoĞü napawania vnap.[m/min]

uwagi

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

6,3

0,2

napawanie

75

Z. Bogdanowicz, K. Grzelak, S. Kowalczyk

Napawanie przeprowadzono przy uĪyciu lasera diodowego duĪej mocy HDPL 020DL firmy ROFIN, znajdującego siĊ w Katedrze Spawalnictwa Politechniki ĝląskiej w Gliwicach. Laser ten posiada wiązkĊ zogniskowaną w ksztaácie prostokąta o wymiarach 6,8x1,8 mm. Ognisko wiązki znajdowaáo siĊ na powierzchni przedmiotu, a ogniskowa wynosiáa f=82mm. Napawanie i natapianie przeprowadzono przy zmiennych parametrach procesu (tj. zmiana mocy wiązki P[W], iloĞci podawanego proszku q[g/min]), przedstawionych w tabeli 2. W procesie napawania jako gazu osáonowego uĪyto argonu, w iloĞci 10 l/min podawanego poprzez dyszĊ o Ğrednicy 12 mm. Proszek spawalniczy byá podawany za pomocą gazu transportującego (argon 6 l/min pod ciĞnieniem 2 bary) poprzez eliptyczną dyszĊ, o wymiarach 10x3 mm, do jeziorka napoiny. Konstrukcja dyszy umoĪliwia podawanie jednoczeĞnie gazu osáonowego i wdmuchiwanie proszku, który jest dozowany z podajnika talerzowego. Powierzchnia próbek byáa przeszlifowana i odtáuszczona. Próbki byáy umieszczone na stole roboczym, który umoĪliwia ruch prostoliniowy w páaszczyĨnie XY, ruch wzdáuĪ osi Z realizowany byá przez przesuw gáowicy (ustawienie ogniska wiązki na powierzchni próbki). 3. Wyniki badaĔ 3.1. Pomiary wáaĞciwoĞci geometrycznych OcenĊ procesu napawania przeprowadzono na podstawie jakoĞciowej i geometrycznej oceny wykonanych Ğciegów. OkreĞlono procentowy udziaá materiaáu podáoĪa (UMP) w przetopionej warstwie oraz gruboĞü warstwy (Rys. 1), na podstawie zdjĊü wykonanych na zgáadach metalograficznych w poprzecznym przekroju próbek (Rys. 2). Sposób obliczenia procentowego udziaáu materiaáu podáoĪa (UMP, ang. VMB) przedstawiono na Rys. 1. Analiza wyników badaĔ pozwoliáa ustaliü wpáyw poszczególnych parametrów na jakoĞü wykonywanej warstwy (Rys. 3). Parametr mocy wiązki lasera ma decydujący wpáyw na gáĊbokoĞü przetopu warstwy materiaáu i topienie podawanego proszku. W przypadku przetapiania proszku Cr wraz ze wzrostem mocy wiązki wzrasta UMP, co wskazuje, Īe nastĊpuje lepsze przetopienie podawanego proszku, a tworząca siĊ warstwa ma bardziej páaskie lico. Dla próbek P1-P3 i P9-P13 przy danych parametrach (Tab. 2) wystĊpowaáo stopowanie, czyli wzbogacenie warstwy wierzchniej materiaáu rodzimego w chrom przy minimalnym utworzeniu warstwy ponad materiaá rodzimy (która zostanie usuniĊta w obróbce wykaĔczającej). Podczas tego procesu czĊĞü energii wiązki lasera jest absorbowana przez podawany proszek, co ma wpáyw na wielkoĞü tworzonego jeziorka napoiny, a tym samym wpáywa na gáĊbokoĞü przetopu.

Fn

Fw UMP

Fw ˜ 100% Fw  Fn

Rys. 1. Sposób okreĞlania UMP w napoinie: Fn - pole powierzchni nadlewu napoiny; Fw - pole powierzchni wtopienia napoiny Fig. 1. Determine the relationship VMB in padding weld: Fn – area excess weld metal; Fw – area fusion penetration

Zmieniając parametr iloĞci podawanego proszku powodujemy, poprzez zwiĊkszanie iloĞci proszku, wiĊksze absorbowanie energii wiązki przez proszek oraz zasypywanie jeziorka przetopionego materiaáu. 76

Selection Parameters Overlaying Welding Laser Steel Powders Chromium and Nichrome With Make…

Rys. 2. Zmiana makrostruktury warstwy w zaleĪnoĞci od parametrów wiązki Fig. 2. Modification macrostructure surface layer

Rys. 3. Wyniki pomiarów parametrów warstwy z zaleĪnoĞci od parametrów procesu a) udziaá materiaáu podáoĪa; b) wysokoĞü nadlewu; c) gáĊbokoĞü przetopu Fig. 3. Result of measurement surface layer independent of process parameter a)volume fraction materials base(VMB), b) height excess weld meta, c)depth fusion penetration 77

Z. Bogdanowicz, K. Grzelak, S. Kowalczyk

Powoduje to spadek UMP, a przy maksymalnej iloĞci proszku moĪna uzyskaü brak trwaáego poáączenia napoiny z podáoĪem na caáej dáugoĞci. JednoczeĞnie przy zwiĊkszaniu iloĞci proszku uzyskuje siĊ grubsze warstwy zewnĊtrzne (próbki P4-P8), które mogą byü nowymi WW obrabianego przedmiotu (napawanie). W procesie natapiania proszku NiCr uzyskano stosunkowo duĪy UMP nawet dla maáych mocy wiązki lasera, co Ğwiadczy o innym oddziaáywaniu wiązki lasera z proszkiem NiCr. Temperatura topnienia gáównego skáadnika proszku Ni jest duĪo niĪsza niĪ Cr, co powoduje mniejsze zapotrzebowanie energii na przetopienie proszku i tym samym wiĊcej energii dociera do obrabianego elementu. W tym przypadku zmiana mocy wiązki nie miaáa istotnego wpáywu na UMP, decydowaáa jednak o wysokoĞci uzyskanej warstwy oraz o gáĊbokoĞci strefy wpáywu ciepáa (SWC). Dla proszku NiCr naleĪy poszerzyü zakres badaĔ o wpáyw iloĞci podawanego proszku na geometryczne wáasnoĞci napoiny. 3.2. Badania wáaĞciwoĞci mechanicznych

PHV0,1

Pomiary mikrotwardoĞci przeprowadzono liniowo w páaszczyĨnie poprzecznego przekroju napoiny rozpoczynając od lica napoiny w kierunku materiaáu rodzimego, na mikrotwardoĞciomierzu Shimadzu XX20 przy obciąĪeniu 100g. Wyniki pomiarów przedstawiono w formie wykresów dla wybranych próbek (rys. 4).

Rys. 4. Rozkáad mikrotwardoĞci w gáąb materiaáu w zaleĪnoĞci od parametrów procesu (Tab. 2) Fig. 4. Micro- hardness distribution independent of process parameter(Tab 2)

WartoĞci te róĪniáy siĊ w zaleĪnoĞci od rodzaju i wartoĞci parametrów procesu, jak równieĪ od rodzaju natapianego proszku. W przypadku stali 50H21G9N4 napawanej proszkiem NiCr zaobserwowano spadek mikrotwardoĞci w napoinie, co jest spowodowane wáaĞciwoĞciami gáównego skáadnika tego proszku (Ni). MikrotwardoĞü materiaáu rodzimego stali austenitycznej (50H21G9N4) wynosiáa ok. 400HV0,1. natomiast uzyskanej warstwy wynosiáa ok. 300HV0,1. ZauwaĪalny jest zatem znaczący spadek twardoĞci warstwy wierzchniej po napawaniu laserowym. Fakt ten wskazuje na zastosowanie tego rodzaju proszku dla elementów, w których twardoĞü powierzchni nie jest decydującym czynnikiem. 78

Selection Parameters Overlaying Welding Laser Steel Powders Chromium and Nichrome With Make…

W przypadku natapiania proszkiem Cr zaobserwowano wzrost mikrotwardoĞci uzyskanej warstwy w odniesieniu do materiaáu rodzimego. W wypadku napawania (próbki P4-P8) wzrost ten wyniósá ok. 200HV0,1 i miaá charakter nierównomierny. MoĪe to byü spowodowane wystĊpowaniem stref wydzielonego lub nie przetopionego chromu w obszarze napoiny (Rys. 2.). W przypadku wiĊkszych mocy wiązki przy mniejszej iloĞci proszku (próbki P9-P13) przetop byá peániejszy i takie strefy juĪ nie wystĊpują, a wzrost dochodzi do ok. 300HV0,1 i jest bardziej równomierny. Stwierdzono równieĪ hartowanie siĊ materiaáu rodzimego (stal 45) w strefie przejĞciowej, Ğwiadczy o tym wzrost mikrotwardoĞci w tym obszarze. 3.3. Badania strukturalne Badanie mikroskopowe przeprowadzono przy uĪyciu mikroskopu skaningowego Philips XL30. Próbki natapiane proszkiem NiCr oraz Cr byáy trawione w roztworze Fe3Cl. Na Rys. 5 i 6 przedstawiono strukturĊ warstwy wykonanej dla wybranych parametrów obróbki. W mikrostrukturze strefy przetopionej, czyli wzbogaconej w chrom stwierdzono wystĊpowanie páaskiego frontu krzepniĊcia na granicy z nieprzetopioną osnową przechodzący w krysztaáy kolumnowe i dendrytyczne uáoĪone równolegle do kierunku odprowadzania ciepáa (Rys. 5b i 6b). Zaobserwowano równieĪ strukturĊ martenzytyczną, co potwierdza hartowanie siĊ stali 45 w wyniku oddziaáywania wiązki lasera tuĪ pod utworzoną warstwą (Rys. 5a i 6c).

a)

b)

c)

Rys. 5. Struktura warstwy wykonanej parametrami procesu P7 (Tab. 2) a) strefa przejĞciowa b) napoina; c) materiaá rodzimy stal 45 Fig. 5. Overlay structure make process parameter P7 (Tab 2) a) weld interface, b)padding weld, c)stock steel 45

Wpáyw oddziaáywania wiązki lasera na podáoĪe ze stali 50H21G9N4 jest nie duĪy i zaobserwowano niewielki rozrost ziaren w strefie przejĞciowej (Rys. 7b). Struktura napoiny warstwy NiCr wykazuje znaczną porowatoĞü, co moĪe byü wykorzystane do transportu i przemieszczania páynów smarujących w ukáadach ciernych (Rys. 7a). Dla wybranych próbek dokonano pomiaru liniowego rozkáadu pierwiastków w wykonanej warstwie przy uĪyciu mikrosondy rentgenowskiej wzdáuĪ linii skanowania prostopadáych do natapianej powierzchni. Przykáadowe rozkáady koncentracji poszczególnych pierwiastków przedstawiono na Rys. 8 i 9. 79

Z. Bogdanowicz, K. Grzelak, S. Kowalczyk

a)

c)

b)

Rys. 6. Struktura warstwy wykonanej parametrami procesu P11 (Tab. 2) a) strefa przejĞciowa b) warstwa natopiona; c) materiaá rodzimy stal 45 Fig. 6. Overlay structure make process parameter 11 (Tab. 2) a) weld interface, b) padding weld, c) stock steel 45

a)

c)

b)

Rys. 7. Struktura warstwy wykonanej parametrami procesu M4 (Tab. 2) a) warstwa natopiona b) strefa przejĞciowa; c) materiaá rodzimy stal 50H21G9N4 Fig. 7. Overlay structure make process parameter P7 (Tab. 2) a) weld interface, b)padding weld, c)stock steel 45

80

Selection Parameters Overlaying Welding Laser Steel Powders Chromium and Nichrome With Make… 2500 CK SiK

Cr

CrK FeK

2000

intensywnoĞü [imp/s]

Fe 1500

1000

500

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

odlegáoĞü od powierzchni

Rys. 8. Liniowy rozkáad pierwiastków w warstwie natapianej (parametry procesu P7- Tab. 2) Fig. 8. Linear distribution alloying elements (process parameter P7- Tab. 2) 1800 AlK SiK

1600

MoL CrK MnK

1400

intensywnoĞü [imp/s]

FeK NiK

Fe

1200

1000

Ni

800

Cr

600

400

200

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

odlegáoĞü od powierzchni

Rys. 9. Liniowy rozkáad pierwiastków w warstwie natapianej (parametry procesu M4 - Tab. 2) Fig. 9. Linear distribution alloying elements (process parameter M4 - Tab. 2)

Z analizy przebiegu rozkáadu pierwiastków w przypadku uĪycia proszku Cr wynika nierównomierna koncentracja natapianego skáadnika w warstwie, przy maáych mocach wiązki lasera (Rys. 8). ĝwiadczyü to moĪe o niezupeánym przetopie podawanego proszku lub miejscowej koncentracji natapianego skáadnika w wyniku zawirowaĔ wywoáanych ruchami konwekcyjnymi w jeziorku wytwarzanej warstwy [8]. Rozkáad pierwiastków w warstwie natapianej NiCr jest równomierny i odzwierciedla skáad chemiczny uĪytego proszku (Rys. 9). 81

Z. Bogdanowicz, K. Grzelak, S. Kowalczyk

4. Podsumowanie i wnioski koĔcowe Dotychczasowe badania wykazują istotny wpáyw doboru parametrów napawania, zwáaszcza mocy wiązki lasera. Podczas początkowego etapu badaĔ stwierdzono duĪy wpáyw tego parametru na jakoĞü i ksztaát napoiny w przypadku natapiania proszkiem Cr. Parametr ten jest mocno uzaleĪniony od parametru iloĞci podawanego proszku oraz pojemnoĞci cieplnej napawanych elementów. W przypadku proszku NiCr stwierdzono niewielki wpáyw zmiany mocy wiązki lasera na UMP, co moĪe byü spowodowane zbyt maáą iloĞcią podawanego proszku, dlatego teĪ naleĪy poszerzyü badania o wpáyw tego parametru. Badania mikrotwardoĞci warstw natapianych proszkiem chromu potwierdzają znaczący wzrost twardoĞci. wynik ten moĪna wykorzystaü jako przesáankĊ do stosowania tego rodzaju warstw na elementy, od których wymaga siĊ duĪej odpornoĞci na zuĪycie. TwardoĞü warstw NiCr ma wartoĞü ok. 300HV i jest niĪsza od twardoĞci podáoĪa na którym zostaáa utworzona. TwardoĞü tej warstwy jest jednakĪe równa twardoĞci szerokiej gamy stali stopowych i wĊglowych wyĪszej jakoĞci, co nie dyskwalifikuje uĪycia tego rodzaju proszku do natapiania elementów pojazdów samochodowych. Analiza struktury warstwy Cr wykazaáa budowĊ krysztaáów kolumnowych i ukáadów dendrytów, powstaáych w wyniku przebiegu kierunku frontu krystalizacji. Stwierdzono równieĪ hartowanie siĊ podáoĪa (stal 45) w wyniku oddziaáywania wiązki lasera. Struktura warstwy NiCr wykazaáa duĪą porowatoĞü. Mikropory mogą byü wykorzystane do rozprowadzania i transportowania páynów smarujących w ukáadach ciernych. Literatura [1] [2]

[3] [4] [5] [6] [7] [8]

[9]

De Damborenea, J. J., Laser processing of NiCrAlFe alloy: microstructure evolution, J. of Mat. Science, 27 pp. 1271-1274, 1992. Fasasi, A. Y., Roy, S. K., Galerie, A., Laser surface alloying of Ti-6Al-4V with silicon for improved hardness and high-temperature oxidation resistance, Materials Letters, Vol. 13, pp. 204-211, 1992. Klimpel, A., Mazur. M., PodrĊcznik spawalnictwa, Wydawnictwo Pol. ĝl. Gliwice, 2004. Klimpel, A., Napawanie i natryskiwanie cieplne, Warszawa, 2000. KusiĔski, J., Lasery i ich zastosowanie w InĪynierii Materiaáowej, Kraków, 2000. SmoleĔska, H., KoĔczewicz. W., Morphology studies of cobalt base clad layers produced by laser technology, InĪynieria Materiaáowa, 3 pp. 493-496, 2004. Sobiecki, J., Patejuk, A., Bogdanowicz, Z., Kowalczyk, S., Selected mechanical properties of glow discharge nitridet austenitic steel, Material Sience&Engineering, pp 198-202, 2004. Woldan, A., KusiĔski, J., Tasak, E., Kąc, S., Wpáyw laserowego stopowania stali wĊglowej chromem na strukturĊ i wáasnoĞci warstwy wierzchniej, InĪynieria Materiaáowa, 6 pp. 478481, 2000. SmoleĔska, H., Morfologia napawanych warstw na bazie kobaltu po utlenianiu i korozji w gazach spalinowych, Problemy Eksploatacji, Vol. 1, 2006.

Praca naukowa finansowana ze Ğrodków na naukĊ w latach 2006-2009 jako projekt badawczy

82