Vpliv kemijske sestave jekel na lasersko toplotno obdelavo
Influence of Steel Chemical Composition on the Laser Heat Treatment
S. Spruk1, ITPO Ljubljana A. Rodič, IMT, Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-10-22
Pri laserski toplotni obdelavi dosežemo visoke temperature v izredno kratkem času. Karakteristične temperature premen pri jeklih so odvisne od kemijske sestave, hitrosti ogrevanja ter hitrosti ohlajanja. Študirali smo vpliv parametrov toplotne obdelave in kemijske sestave jekel na mikrostrukturo in trdoto jekel po laserski toplotni obdelavi. Za preiskave smo uporabili tri različna jekla: nizkoogljično ogljikovo jeklo CK 15, srednjeogljično ogljikovo jeklo CK 45 in orodno visokoogljično kromovo jeklo OCR 12. Ta jekla imajo različna temperaturna območja premen a v y ter različna območja raztaljevanja. Za poskuse smo uporabili laserski varilnik Nd-steklo z močjo 150 W.
Ključne besede: laser, toplotna obdelava, kemijska sestava, mikrostruktura, jeklo
At the laser heat treatment high temperatures are attained in a very short time. Characteristic temperatures of steel transformation are dependent on chemical composition, heating and cooling processes. The influence of heat treatment parameters and chemical composition of steels on microstructure and steel hardness, after laser heat treatment was studied. Three different steels were applied for the investigation: low carbon steel CK 15, medium carbon steel CK 45, and high carbon tool steel OCR 12. The steels have different transformation temperatures of a to y and different melting range. The Nd-glass laser was applied for the investigation.
Key vvords: laser, heat treatment, chemical composition, microstructure, steel
1 Uvod
V zadnjih desetletjih se pri izdelavi orodnih jekel posveča posebno pozornost izotropnosti materiala, zato so se v svetu uveljavili postopki, ki zagotavljajo večjo homogenost oz. izotropnost jekel. To so postopki prašnate metalurgije, postopek EPŽ (električno pre-taljevanje pod žlindro) in postopki termične obdelave, ki z difuzijo povečajo izotropnost materiala. Ena takih metod je toplotna obdelava z laserskim žarkom. Laserska tehnologija ima pred dosedaj poznanimi konvencional-nimi tehnologijami številne prednosti, zato je vedno bolj zastopana v praksi1"5. Predvsem je zanimiva laserska toplotna obdelava jekel zaradi dobre kombinacije žilavega jedra in trde finozrnate površinske plasti, ki poveča obrabno odpornost materiala. Pri laserski toplotni obdelavi namreč nastane sprememba mikrostrukture na površini vzorca, ki ga obdelujemo. Pri ledeburitnem tipu jekel s to vrsto toplotne obdelave lahko spremenimo velikost in razporeditev karbidov. Trenutno laserski varil-niki še niso posebno uporabni v primerih, ko želimo doseči večje globine površinsko obdelane plasti. Globine, kijih lahko dosežemo z lasersko toplotno obdelavo, so reda velikosti od nekaj (jm do približno 1 mm.
Mikrostruktura utrjene plasti je odvisna od temperaturnega gradienta, določenega z gostoto moči na enoto površine in toplotnimi lastnostmi materiala, ki ga obdelujemo. Prav tako je odvisna tudi od hitrosti segrevanja
' Mac. Sonja SPRUK Institut /.a tehnologijo površin in optoclcktroniko 101X1 Ljubljana. Teslova 3(1
in ohlajanja, kontroliranega z interakcijskim časom t, ki je funkcija hitrosti pomikanja laserskega žarka ali obde-lovanca6. Mikrostrukturo lahko spreminjamo od strje-valne kaljene do kaljene iz vmesnega področja med Aci in Ac3. V nekaterih primerih ima površinska raztaljena in ponovno strjena plast višjo trdoto kot plast, ležeča pod njo, ki je mehkejše, toplotno vplivano področje7. Zadovoljivo toplotno obdelavo površine celega vzorca dobimo s prekrivanjem laserskih sledi.
Cilj našega dela je bil raziskati vpliv različnih parametrov toplotne obdelave ter različne kemijske sestave jekel na mikrostrukturo, trdoto in velikost cone, povzročene z lasersko toplotno obdelavo.
2 Eksperimentalno delo
Za preiskave smo uporabili vzorce nizkoogljičnega ogljikovega jekla CK 15, srednjeogljičnega ogljikovega jekla CK 45 ter orodnega visokoogljičnega kromovega jekla OCR 12. Proizvajalec jekel je Metal Ravne. Kemijska sestava je podana v tabeli 1.
Tabela 1: Kemijska sestava jekel CK 15, CK 45 in OCR 12, vsebnost posameznih elementov je v masnih %
Jeklo	C(%)	Si (%)	Mn (%)	Cr (%)	S(%)	P (%)
CK 15	0.163	0.274	0.488	0.25	0.019	0.021
CK 45	0.46	0.22	0.57	0.19	0.016	
OCR 12	2.1	0.3	0.3	12.0		
Proces toplotne obdelave smo izvedli z laserskim va-rilnikom proizvajalca J. K. Lasers, z lasersko palico Nd-
steklo. V/.orce jekel CK 15, CK 45 in OCR 12 smo izpostavili laserskemu žarku s frekvenco 15 H/, dolžina pulza je bila 15 ms. hitrost pomikanja vzorcev 5 mm/s. Žarišče laserskega žarka se je najprej nahajalo na površini vzorca, nato smo z mikrometrskim vijakom premaknili lečje po optični osi navzdol ter tako prestavili žarišče 5 oz. 7 mm v globino vzorca. S tem smo spreminjali gostoto moči na enoto površine. Po toplotni obde-
med lasersko toplotno obdelavo
v področju
v področju
lavi smo vzorce prečno prerezali in i/deiali mctalograf-ske obruse, ki smo jih jedkali z nitalom in zlatotopko. Spremembe v mikrostrukturi, povzročene z lasersko toplotno obdelavo, smo preiskovali z optično in SEM mikroskopijo. Trdoto smo merili na ncizpostavljcnih in laserskemu snopu izpostavljenih vzorcih s 100 g obtežbo po Vickcrsu.
po ohlajanju
zaostali avstenit+ martenzit+ evtektski karbidi
martenzit+ karbidi
Slika 1: Mikrostruktura jekla OCR 12 po laserski toplolni obdelavi, jedkano z zlatolopko, 150x Figure 1: Microstructure of the OCR 12 steel after laser heat treatment. etehed by aqua regia. I50x
jeklo OCR 12 jeklo CK 45	jeklo CK 15
T| = 1382 °C Ti = 1508 °C	T,= 1522°C
Ts = 1230 °C T, = 1467 °C	TS=1491°C
Slika 2: Vpliv parametrov toplotne obdelave in različne kemijske sestave jekel OCR 12, CK 45 in CK 15 na mikrostrukturo in velikost cone, povzročene z lasersko toplotno obdelavo.
I. žarišče laserskega žarka na površini vzorca. II. žarišče laserskega žarka 5 mm pod površino vzorca, III. žarišče laserskega žarka 7 111111 pod površino vzorca
Figure 2: The influence of heat treatment parameters and differenl chemical composition of OCR 12, CK 45 and CK IS steels on the microstructure and zone size, induced by heat treatmenl.
I. laser beam focus on the sample surface. II. laser beam focus 5 mm below the surface, lil. laser beam focus 7 mm below the surface
kapljevine
3 Rezultati
3.1 OCR 12
Jeklo se je pod vplivom laserskega žarka raztalilo, nastala je homogena talina, ki se je ponovno strdila. Plast s strjevalno mikrostrukturo je pri sobni temperaturi sestavljena iz martenzita, evtektskih karbidov in zaostalega avstenita. Dendritna mikrostruktura je zaradi hitrega taljenja in strjevanja izredno fina, razdalje med sekundarnimi dendritnimi vejami so velikostnega reda 1 pm7. Karbidi po obliki prehajajo iz ostrorobih v zaobljene, kar je posledica raztapljanja. Pod talilno cono je cona toplotnega vpliva, katere mikrostruktura je po ohlajanju sestavljena iz karbidov in martenzita (slika 1).
Iz slike 2a je razvidno, da prihaja zaradi predgrevanja materiala do poglabljanja in širjenja predvsem talilne cone, manj pa cone toplotnega vpliva. Ta pojav je najbolj očiten v primeru, ko je žarišče laserskega žarka na površini obdelovanega vzorca. Razdalja med prvo in drugo lasersko sledjo je precej velika, potem pa se manjša, dokler se laserske sledi med seboj ne zlijejo. Če laserski žarek defokusiramo, tako da premaknemo žarišče v globino 5 oz. 7 mm, dobimo na površini snop z večjim premerom, tako da se že začetne laserske sledi v obeh primerih stikajo. Z merjenjem globine smo ugotovili večanje talilne cone. Iz rezultatov lahko ugotovimo, da se velikost talilne in toplotno vplivane cone spreminja tudi s spreminjanjem gostote moči na enoto površine. Bolj ko je snop defokusiran, manj globoka je talilna cona (od 100 do 170 pm). medtem ko ostaja globina toplotno vplivane cone približno konstantna (110 pm). To smo opazili tudi pri lasersko toplotno obdelanih jeklih CK 15 in CK 45. V conah, ki so bile pod vplivom laserske toplotne obdelave, smo izmerili mikrotrdoto po Vickersu. Ta je v talilni coni približno 520 HV 0,1, v coni toplotnega vpliva pa okoli 570 HV 0,1. Mesto pre-
hoda iz talilne v toplotno vplivano cono ima najvišjo trdoto, in sicer okoli 730 HV 0,1.
3.2	C K 45
Pri izbranih parametrih laserske toplotne obdelave se je jeklo raztalilo. Talina se je ponovno strdila, nastale so tri ločene cone (slika 3). V prvi opazimo samo martenzit. V drugi, toplotno vplivani coni je v mikrostrukturi martenzit in bainit. Tretja cona je sestavljena iz netrans-formiranega ferita, martenzita in nekaj malega bainita. V primeru, ko je fokus laserskega žarka na površini vzorca, se prve laserske sledi med seboj ne stikajo, nadaljne sledi pa se zaradi predgrevanja pričnejo prekrivati. Vzrok za to je v poglabljanju in širjenju talilne cone. To je manj očitno v primeru, ko je fokus 5 ali 7 mm pod površino vzorca, kajti zaradi širšega žarka se prekrivanje laserskih sledi pojavi že na začetku toplotne obdelave (slika 2b). Opazimo, da se talilna cona tako po širini kot tudi po globini močno razlikuje od tiste pri toplotno obdelanem visokoogljičnem kromovem jeklu OCR 12, kjer je bila le-ta precej večja. To lahko pripišemo strjevalnemu intervalu, ki je pri jeklu OCR 12 pri nižjih temperaturah kot pri CK 45 in CK 15. Po podatkih iz literature imajo ta jekla naslednje temperature8: OCR 12 ima T, = 1382°C in Ts = 1230°C CK 45 ima T, = 1508°C in Ts = 1467°C CK 15 ima Ti = 1522°C in Ts = 1491°C
3.3	CK 15
S slike 2c je razvidno, da se je pri vseh treh različnih parametrih laserske toplotne obdelave jeklo CK 15 raztalilo, nastale so tri, med seboj ločene cone. Prva, talilna, je po ohlajanju sestavljena iz martenzita in spodnjega bainita. Naslednja, ki jo opazimo, je cona toplotnega vpliva. V mikrostrukturi opazimo na mestih perlitnih zrn martenzit, v okolici pa je spodnji in zgornji bainit ter ferit. Avstenit ob času laserske toplotne obde-
med lasersko toplotno	po ohlajanju
obdelavo
v področju kapljevine
martenzit
v področju y
martenzit+bainit
v vmesnem področju med AC| in Ac3
netransformirani ferit+martenzit+ bainit
Siika 3: Mikrostruktura jekla CK 45 po laserski toplotni obdelavi, jedkano z nitalom, 150x Figure 3: Microstructure of the CK 45 steel after laser heat treatinent, etehed with nital, 150x
v področju kapljevine v področju y -
X"
v vmesnem področju med Aci in Ac3
med lasersko toplotno obdelavo
po ohlajanju
martenzit+bainit
martenzit+bainit+ ferit
bainitno martenzitna zrna+ferit
Slika 4: Mikrostruktura jekla CK 15 po laserski toplotni obdelavi, jedkano z nitalom. 150x Figure 4: Microstructure of the CK 15 steel after laser heat treatment, etched with nital. 150x
lave ni bil homogen, kjub temu da so bile temperature izredno visoke. Predpostavljamo, da je bil čas toplotne obdelave prekratek. Točka AC3 se pri kratkih časih ogrevanja pomakne k višjim temperaturam, kar je razvidno s slike 59. Zrna so majhna (velikost zrna 9 po primerjalni tabeli ASTM), ker zaradi kratkih časov pri visokih tem-
Hitrost ogrevanja [°C/s]
Slika S: Velikost avstenitnega zrna v odvisnosti od časa in temperature toplotne obdelave
Figure 5: Austenite grain size in dependance of time and temperature of the heat treatment
peraturah nimajo časa zrasti. Na sliki 4 opazimo še eno cono, sestavljeno iz bainitno martenzitnih zrn v perlitnih zrnih ter ferita. Sledi osnovna mikrostruktura, ki je sestavljena iz ferita in perlita. V primeru, ko je žarišče laserskega žarka na površini vzorca ali 5 mm pod njo, ne pride do prekrivanja laserskih sledi. Če pa je žarišče laserskega žarka 7 mm pod površino vzorca se laserske sledi dotikajo med seboj in globina talilne cone rahlo narašča. Velikost talilne cone je še manjša kot pri toplotno obdelanem jeklu CK 45. kar je razumljivo glede na kemijsko sestavo jekla CK 15.
Iz rezultatov merjenja mikrotrdote lahko ugotovimo, da se izmerjene trdote v talilni coni gibljejo od 360 do 390 HV 0,1, v toplotno vplivani coni pa so približno 360 HV 0,1. Tudi pri tem jeklu smo najvišjo trdoto izmerili na mestu prehoda iz talilne v toplotno vplivano cono.
4 Sklepi
S pomočjo pulzirajočega laserskega varilnika z lasersko palico Nd-steklo smo preiskali vpliv različnih parametrov toplotne obdelave in kemijske sestave jekel na mikrostrukturo, trdoto in velikost cone, povzročene z lasersko toplotno obdelavo jekel OCR 12, CK 45 in CK 15. Na podlagi dobljenih rezultatov lahko sklenemo naslednje:
-	Kot rezultat laserske toplotne obdelave dobimo fino-zrnato površinsko plast, ki je sestavljena iz dveh con. talilne in toplotno vplivane cone.
-	Z zmanjševanjem gostote moči na enoto površine se manjša globina talilne cone, medtem ko ostaja globina toplotno vplivane cone približno konstantna.
-	Prekrivanje laserskih sledi povzroči predgrevanje materiala in s tem poglabljanje in širjenje cone, povzročene z lasersko toplotno obdelavo.
-	Na velikost talilne in toplotno vplivane cone vpliva kemijska sestava jekla. Višji procent ogljika povzroči globjo talilno cono.
Zahvala
Delo je finančno podprlo Ministrstvo za znanost in tehnologijo Republike Slovenije, Ljubljana, projekt J2-7641-1536.
5 Literatura
'S. Mandziej. M. C. Seegers, J. Godijk. Materials Science and Tech-nology, 5, 1989, 350-355 2M. Hino, M. Hiramatsu, K. Akiyama, H. Kawasaki. M. Tsujikawa, M. Kawamoto. Proceedings of the 5th World Seminar on Heat Treatment and Surface Engineering IFHT '95. Isfahan. Iran, 1995, 529-534
'L. J, Yang, S. Jana, S. C. Tam, Journal of Materials Processing Tech-nology, 21, 1990, 119-130
4	P. Oakley, Proceedings of the International Conference Laser Material Processing. Opatija, 1995, 143-154
5	A. Shachrai, E. Secemski, Engineering Lasers. 1992, 6-8
6	J. M. Pelletier, P. Sallamand, S. Asika, Proceedings of the 5th World Seminar on Heat Treatment and Surface Engineering, IFHT '95. Isfahan, Iran, 1995, 523-528
7	S. Spruk, B. Praček. A. Rodič, Kovine. Zlitine. Tehnologije, 30. 1996. 1-2, 143-146
* Interna dokumentacija Metal Ravne
QJ. Orlich. A. Rose, P. Wiest, Atlas zur Wartnebehandlung der Stalil, Verlag Stahleisen M.B.H. Dusseldorf, 1973, 34