Universitatea Transilvania din Brașov

Transcription

1 Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane Axa prioritară 1 Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie 1.5. Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării Titlul proiectului: Studii doctorale pentru dezvoltare durabilă (SD-DD) Numărul de identificare al contractului: POSDRU/6/1.5/S/6 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Universitatea Transilvania din Brașov Școala Doctorală Interdisciplinară Centrul de cercetare: TEHNOLOGII ȘI MATERIALE AVANSATE METALICE,CERAMICE ȘI COMPOZITE (MMC) Ing. Adriana URS (căs. ZARA) CERCETARI PRIVIND IMBUNATATIREA PERFORMANTELOR PIESELOR SUPUSE LA UZARE PRIN TRATAMENTE TERMICE MODERNE REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT RESEARCH REGARDING IMPROVING PERFORMANCE ON PARTS SUBJECT TO WEAR BY MODERN HEAT TREATMENT ABSTRACT OF THE Ph.D. THESIS Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Ioan GIACOMELLI BRASOV, 2011

2 MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, , TEL , FAX RECTORAT D-lui (D-nei)... COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov Nr din PREŞEDINTE: CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: REFERENŢI: Prof. univ. dr. ing. Mircea Horia ŢIEREAN DECAN-Facultatea de Ştiinţ a ş i Ingineria Materialelor Universitatea Transilvania din Braşov Prof. univ. dr. ing. Ioan GIACOMELLI Universitatea Transilvania din Braşov Prof. univ. dr. ing. Petrică VIZUREANU Universitatea Tehnică Gh.Asachi din Iaşi Cercet. st.gr.i, dr. Maria DINESCU Instit. Nat.de Fizica Plasmei, Laserului si Radiaţiei, Măgurele Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Ana VEŢELEANU Universitatea Transilvania din Braşov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: , ora 11:00, sala W III 4. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa adrz2007@yahoo.com Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.

3 CUPRINS INTRODUCERE 7 7 CAPITOLUL 1. UZAREA METALELOR 1.1. NOTIUNI DE TRIBOLOGIE Proprietăţile componentelor unui tribosistem Stratul superficial Tipuri de suprafeţe de contact în tribosistem Procese de frecare în tribosisteme FAZELE UZARII PIESELOR SI SCULELOR Tipuri de uzare Uzarea de aderenţă Uzarea abrazivă Uzarea de oboseală Uzarea de coroziune Factorii care influenţează rezistenţa la uzare Calitatea materialului şi structura acestuia Calitatea suprafeţelor POSIBILITATI DE MASURARE A UZURII Maşina cu 4 bile Instalaţie de tip Timken Tribometru ştift pe disc Maşina Amsler CAPITOLUL 2. STADIUL ACTUAL AL TRATAMENTELOR TERMICE DE SUPRAFATA DESTINATE IMBUNATATIRII REZISTENTEI LA UZARE Introducere CALIRE SUPERFICIALA Procedee de călire superficială Călire superficială prin inducţie TRATAMENTE TERMOCHIMICE Tratamentul termochimic de carburare Tratamentul termochimic de nitrurare Tratamentele termochimice de carbonitrurare şi cianurare Aluminizarea sau alitarea Cromizarea Silicizarea Borizarea Titanizarea Zincarea (sheraedizarea) ACOPERI CU STRATURI DURE Metode de obţinere a straturilor prin procedee PVD Procedee bazate pe pulverizare Metode de obţinere a straturilor prin procedee CVD Pg. teza Pg. rezumat 1

4 Proprietăţile straturilor dure Depunere laser pulsată (PLD) Depunere laser pulsată. Etape Interacţia fasciculului laser cu materialul ţintei Fluența de prag Rata de ablaţie laser Expansiunea plasmei Creşterea filmelor Varianta Volmer-Weber Varianta Frank-Van der Merwe Varianta Stranski-Krastinov CĂLIREA SUPERFICIALĂ CU LASER Incălzirea cu laseri Generarea radiaţiei laser. Inversia de populaţie Proprietăţile radiaţiei laser Coerenţa radiaţiei laser Direcţionalitatea Monocromaticitatea Intensitatea radiaţiei laser Tipuri constructive de laseri CALIRE SUPERFICIALA CU FASCICUL DE ELECTRONI Principiul de funcţionare Parametrii fasciculului de electroni Instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni Tunul electronic Tratamente termice superficiale cu fascicul de electroni Durificarea suprafeţelor cu fascicul de electroni CAPITOLUL 3. DIRECTII DE CERCETARE, MATERIALE SI APARATURĂ FOLOSITE DIRECTII DE CERCETARE UTILAJE SI DISPOZITIVE UTILIZATE LA INCERCĂRI Instalaţie pentru depunere laser pulsată (PLD) Instalaţie pentru tratarea suprafetelor cu fascicul laser Instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni Echipament pentru încercarea spectrochimică a epruvetelor şi probelor Microscopie de forţă atomică Microscopie electronică de baleaj SEM Echipament de microanaliza metalografică Difracţie de raze X Aparat pentru măsurarea microduritătii Dispozitiv pentru încercări la uzare Cuptoare pentru tratamente termice Aparat pentru măsurarea macrodurităţii Alte aparate şi dispozitive MATERIALE SI EPRUVETE

5 CAPITOLUL 4 CERCETARI EXPERIMENTALE PRIVIND TRATAMENTELE SUPERFICIALE DESTINATE MARIRII REZISTENTEI LA UZARE 4.1.DEPUNERE LASER PULSATA Consideraţii generale Distanţa ţinta - substrat Temperatura substratului Presiunea de lucru Modul de lucru şi rezultate obţinute Concluzii TRATAMENTE TERMICE SUPERFICIALE CU LASERUL CO Schimbul de căldură la încălzirea cu laseri Densitatea de putere şi durata pulsului laser Transferul de energie Principiul de încălzire Tratarea suprafeţelor cu fascicul laser Durificarea prin călire din stare lichidă Incălzirea cu topire locală Rezultate experimentale Concluzii TRATAMENTE TERMICE SUPERFICIALE CU FASCICULUL DE ELECTRONI Noţiuni generale Consideraţii energetice la lucrul cu fasciculul de electroni Aspecte metalurgice ale călirii cu fascicul de electroni Rezultate obţinute Concluzii CAPITOLUL 5 INCERCARI DE UZARE ALE PROBELEOR TRATATE SUPERFICIAL 5.1. Stadiile procesului de uzare Indicatori ai procesului de uzare Mecanismul formării particulelor de uzură Relaţii de calcul Date experimentale Concluzii CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUTII PROPRII 6.1. Concluzii generale Contribuţii proprii Diseminarea rezultatelor Bibliografie Rezumat Curriculum Vitae

6 CONTENT Introduction 7 7 CHAPTER 1. WEAR OF METALS 1.1. TRIBOLOGY NOTIONS Properties of a tribosistem Superficial layer Types of contact surfaces in tribosistem Friction processes in tribosistems Phases of wear parts and tool Types of wear Adhesion wear Abrasive wear Fatigue wear Corrosion wear Factors affecting wear resistance The quality of materials and its structure Surfaces quality Wear measurement possibilities Four ball testing machine Timken installation Tribometer pin on disc Amsler machine Pg. thesis Pg. abst. CHAPTER 2. STATE OF SURFACE HEAT TREATMENT FOR IMPROVING PERFORMANCE ON PARTS SUBJECT TO WEAR Introduction SURFACE HARDENING Surface hardening processes Induction surface hardening THERMOCHEMICAL TREATMENTS Thermochemical treatments of carburizing The nitriding thermochemical treatments Thermochemical treatments of carbonitriding and cyanide Thermochemical treatments with aluminium Thermochemical treatments with chromium Thermochemical treatments of silicon Thermochemical treatments with boron Thermochemical treatments of titanium Thermochemical treatments of zinc Coating with hard layers Methods for obtaining coatings by PVD procedures Spray based procedures Methods for obtaining coatings by CVD procedures Hard layers properties PULSED LASER DEPOSITION (PLD)

7 Pulsed laser deposition. Steps Laser beam interaction with target material Threshold fluency Laser ablation rate Plasma expansion Film growth Volmer-Weber version Frank-Van der Merwe version Stranski-Krastinov version SUPERFICIAL HARDENING BY LASER Laser heating Generation of laser radiation. Population inversion Properties of laser radiation Laser radiation Laser coherent Monochromatic light Laser radiation intensity Constructive types of lasers ELECTRON BEAM SUPERFICIAL HARDENING The operating principle Electron beam parameters Processing facility electron beam Electronic cannon Surface heat treatment with electrons beam Electron beam surface hardening CHAPTER 3. DIRECTIONS OF RESEARCH, MATERIALS AND EQUIPMENT USED Research Equipment and devices used to test Pulsed laser deposition instalation (PLD ) Equipment for laser surface treatment Electron beam processing instalation Equipment for testing of specimens and samples Atomic force microscopy (AFM) Electron microscopy SEM Metallographic microanalysis equipment X-ray diffraction Microhardness measuring microscop Wear testing appliance Heat treatment furnace Apparatus for measuring hardness Other equipment and devices Materials and specimens

8 CHAPTER 4 RESEARCH EXPERIMENTAL REGARDING SUPERFICIAL TREATMENTS FOR INCREASING WEAR RESISTANCE 4.1. PULSED LASER DEPOSITION Considerations Target - substrate distance Substrate temperature Working pressure Mode and results Conclusions SUPERFICIAL HEAT TREATMENT WITH CO 2 LASER Heat exchange in heating with laser Power density and laser pulse duration Energy transfer Heating principle Laser surface treatment Hardening by quenching in liquid Local melting heating Experimental results Conclusions SUPERFICIAL HEAT TREATMENT WITH ELECTRON BEAM General notions Energy considerations to work with electron beam Metallurgical results of electron beam hardening Results Conclusions CHAPTER 5 SUPERFICIAL HEAT TREATED SPECIMENS WEAR ATTEMPTS 5.1. Stages of wear process Wear process indicators Wear particle formation mechanism Account relationships Experimental data Conclusions CHAPTER 6. GENERAL CONCLUSIONS. CONTRIBUTIONS 6.1. Conclusions Contributions Dissemination of results Bibliography Abstract Curriculum Vitae

9 INTRODUCERE Mereu în actualitate, uzarea, acest proces de distrugere a stratului superficial ocupă un loc prioritar în atenția cercetătorilor de pretutindeni. Tratamentele termice de călire superficială cu radiație laser și fasciculul de electroni, fac parte din realizările științei și tehnicii secolului XX. Tema acestei teze de doctorat CERCETARI PRIVIND IMBUNATATIREA PERFORMAN- TELOR PIESELOR SUPUSE se inscrie in domeniului Ştiinţei şi Ingineriei Materialelor. Teza a avut drept scop efectuarea unor cercetări experimentale privind îmbunătățirea performanțelor pieselor supuse la uzare prin tratamente termice moderne. Studiile și cercetările experimentale din cadrul tezei se desfășoară pe patru direcții de cercetare cu următoarele obiective: obținerea prin metoda de depunere laser pulsată PLD (pulsed laser deposition) a filmelor subțiri de carbură de siliciu SiC și nitrocarbură de siliciu SiCN, pe substraturi de OLC45, OLC60, 41Cr4, 34MoCrNi6 care în prealabil au fost supuse tratamentului termic de îmbunătățire (călire +revenire înaltă). Investigarea acestor suprafele prin microscopie de forță atomică (AFM), prin difracție de raze X (XRD), microscopie optica (OM), microscopie electronica cu baleiaj (SEM+EDAX). tratamente termice neconvenționale utilizând laserul GT 1200 W, aplicate pieselor supuse la uzare prin călirea superficială și topirea (vitrifierea) suprafețelor acestora. Obținerea stratului călit superficial cu ajutorul laserului CO 2 pe epruvete din oțeluri de îmbunătățire carbon,olc45,olc 60 și aliate 41Cr4, 34MoCrNi6 care au fost în prealabil supuse unui tratament termic de călire si revenire înaltă. Investigarea acestor suprafele prin microscopie de forță atomică (AFM), prin difracție de raze X (XRD), microscopie optică (OM), microscopie electronică cu baleiaj (SEM+EDAX). tratament termic de încălzire ultrarapidă cu surse termice concentrate, respectiv tratament termic cu flux de electroni pentru obținerea călirii superficiale a suprafețelor epruvetelor din oțelurile care fac obiectul de studiu al tezei. încercarea la uzare a suprafețelor tratate termic prin tehnologii neconvenționale pe tribometrul din dotare, calculul masei gravimetrice, reprezentarea grafică și compararea rezultatelor. 7

10 Realizarea acestei teze ar fi fost imposibilă fără susținerea nemijlocită a unor specialiști de excepție, cărora doresc să le mulțumesc din suflet. In primul rând doresc să aduc mulțumiri conducătorului științific, domului Prof. dr.ing. Ioan GIACOMELLI pentru încurajarea permanentă, îndrumarea competentă și susținerea pe tot parcursul elaborării tezei, făcând posibilă finalizarea acestei lucrări. O parte din cercetările experimentale au fost realizate in cadrul Departamentului Laser din Institutul Național de Fizică Laserilor, Plasmei și Radiației situat pe platforma Măgurele. În acest sens doresc să mulțumesc foarte mult din inima, doamnei Dr. Maria DINESCU, Șef Laborator de Prelucrarea Fotonica a Materialelor Avansate (PPAM-Photonic Processing of Advanced Materials Group), pentru încrederea si înțelegerea acordată, pentru susținerea în efectuarea cercetărilor experimentale, parte a unei direcții de cercetare din teză. De asemenea doresc să mulțumesc Prof.dr.ing. Petrică VIZUREANU de la Universitatea Tehnică Gh.Asachi din Iași pentru sprijinul acordat în realizarea acestei teze. Cele mai sincere mulțumiri doamnei Prof.dr.ing. Ana VETELEANU Universitatea Transilvania din Brașov Mulțumesc de asemenea domnului Prof.dr.ing. Doru Romulus PASCU, Șef Laborator Încercă i, Examinări și Analize - LIEA din cadrul Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare în Sudură și Încercări de Materiale-ISIM Timisoara, pentru susținerea in realizarea unei directii de cercetare. Mii de mulțumiri membrilor Catedrei de Utilaj Tehnologic și Știință Materialelor din cadrul Facultății de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Transilvania din Brașov, care m-au sprijinit în diverse etape ale realizării tezei, precum si colegilor mei doctoranzi, pentru atitudinea pozitivă și atmosfera de lucru foarte bună din cursul anilor de doctorat. De asemenea mulțumesc colegilor post-doc, care m-au sprijinit în soluționarea unor probleme tehnice legate de caracterizarea stucturii metalografice și de bună funcționare a dispozitivului pentru încercarea la uzare a epruvetelor. Totodată vreau să mulțumesc familiei și în special mamei mele pentru dragoste, înțelegere și suport moral. 8

11 Cap.1. UZAREA METALELOR Uzura îşi găseşte expresia în pierderea de material de pe suprafeţele în contact ale corpurilor în mişcare relativă, având ca efect modificarea dimensiunilor, a formei geometrice ş i în anumite condiţii de temperatură conducând chiar la modificări structurale în straturile exterioare Uzarea de oboseală. Fretting-ul, reprezintă o formă particulară şi complexă de deteriorare a suprafeţelelor în contact, care au o mişcare oscilatorie de mică amplitudine, mişcare ce poate fi determinată de tracţiune, încovoiere sau torsiune alternantă [46][49] [155]. Fig Uzarea de tip fretting[145][154]. Studiile şi cercetarile ştiinţifice au pus în evidenţă faptul ca analiza particulelor de uzură sub aspectul dimensiunii, formei şi structurii suprafeţei are un rol important în diagnosticarea unei forme de uzare. Tabel 1.4. Forma de uzare in funcţie de forma particulei Forma de uzare Suprafata uzata Forma particulei uzarea adeziva uzarea abraziva uzarea de oboseala Morfologia suprafeţei particulelor de uzură ne dă indicii clare despre severitatea uzării. Particulele de uzură abrazivă sunt mai uşor de deosebit faţă de particulele de uzură adezivă sau cele de uzură de oboseală, deoarece acestea prezintă o forma alungită şi un aspect diferit al suprafeţei [113]. 9

12 1.3. POSIBILITATI DE MASURARE A UZURII Tabel 1.5. Clasificarea tipurilor de încercări în cercetarea tribosistemelor DIN 50322,[34.] Categoria Tipul de incercare Simbol I Incercări ale sistemului în exploatare, la locul de funcţionare II III IV V Incercări pe stand cu sistemul real întreg Incercări pe stand cu sisteme parţiale sau numai cu un ansamblu de componente Incercări cu componente nemodificate sau reduse la scară Incercări pe modele cu solicitări similare VI Incercări pe modele simplificate Aşa cum se poate observa şi în tabelul 1.5, standardul german DIN propune şase categorii de încercări în cercetarea tribosistemelor Tribometrul ştift pe disc (pin on disc). Cupla de frecare: ştift pe disc în rotaţie. Fig Tribometrul stift pe disc (pin on disc) [13]. Incercarea tribologică permite determinarea uzurii unui material prin intermediul unui vârf ( pin ) din carbura de wolfram, care zgâriind proba in mişcare, fixată în înteriorul unui suport, provoacă uzură. Acest instrument permite măsurarea coeficientului de frecare în funcţie de doi parametri: forţa de aplicare şi viteza de zgâriere. 10

13 CAPITOLUL 2. STADIUL ACTUAL AL TRATAMENTELOR TERMICE DE SUPRAFATA DESTINATE IMBUNATATIRII REZISTENTEI LA UZARE Prelucrarea termică în vederea creşterii performanţelor pieselor supuse la uzare se caracterizează prin încălzirea ultra rapidă cu surse termice exterioare concentrate de mare putere specifică, pe o suprafaţă foarte mică, din această categorie facând parte: prelucrarea cu fascicul de electroni, cu laser şi cu plasmă. Tehnologiile neconventionale răspund astfel unui aspect deosebit de important şi prioritar şi anume măresc durata de exploatare in conditii de siguranţă şi eficienţă, concomitent cu satisfacerea cerinţelor crescânde privind funcţionarea şi totodată, reducerea emisiilor poluante. Mai mult decât atât, unele dintre acestea au rol in reducerea costului de fabricaţie, păstrând sau chiar imbunătăţind calitatea, în timp ce altele sunt destinate obţinerii de produse calitativ superioare sau chiar de produse noi. Aceste tehnologii nu produc reziduuri care să pună în pericol mediul înconjurător. In urma cercetărilor teoretice şi experimentale efectuate la nivel naţional, atât în cadrul institutelor de specialitate, cât şi în institutele de învăţământ superior au fost realizate primele instalaţii de prelucrare cu surse exterioare concentrate de mare putere la I.F.A. Bucureşti, I.C.T.C.M. Bucureşti si I.S.I.M. Timişoara. Fig Aplicatii ale călirii superficiale cu laser Rezultate experimentale privind îmbunătăţirea performanţelor pieselor supuse la uzare s-au obţinut prin depunerea de filme subţiri dure prin metoda laser pulsată PLD [39], [23]. Din studiile şi cercetările efectuate reiese ca aportul utilizării carburii de siliciu SiC în scopul durificării suprafeţelor prin tratamente termice superficiale cu radiaţia laser este considerabil, mărind astfel durata de viaţă a pieselor şi sculelor [79]. Prin tratamentul termic de călire superficială cu laserul 11

14 CO 2 se realizează obţinerea unui strat fără porozităţi având o structură foarte fină, zona afectată termic fiind redusă [121]. Tratamentele termice cu laser şi fascicul de electroni au fost folosite cu succes în industria românească pentru îmbunătăţirea rezistenţei la coroziune [8]. O importantă deosebită se acordă tratamentelor termice superficiale cu fascicul de electroni. Scopul acestora constă în durificarea suprafeţelor prin modificarea proprietăţilor materialelor metalice, a rezistentei la uzură şi a duriţătii. Transformarea structurii superficiale are loc în stare solidă, fără apariţia topiturilor parţiale şi fără prelucrări ulterioare. Ferita se transformă în austenită iar carbonul nu apucă să precipite formand martensita, care este dură [88]. Din punct de vedere al studiului tratamentelor termice de încălzire ultra rapidă cu surse termice exterioare concentrate de mare putere specifică, se remarcă şi la nivel internaţional abordarea tematicilor referitoare la mecanismul de depunerea laser pulsată PLD, la interacţia laser-suprafaţa materialului [13] [78] Procedee de călire superficială Călirea superficială constă în încălzirea în domeniul austenitic a unui strat superficial de la suprafaţa piesei pe o anumită grosime urmată de o răcire rapidă în apă sau ulei, astfel încât austenita să se transforme în martensită numai în acest strat. Metoda de călire superficială are drept scop pe de o parte cresterea duriţătii, a rezistenţei la uzură, a rezistenţei la oboseală, iar pe de altă parte păstrarea proprietătilor ridicate de plasticitate în miezul necălit al piesei [122]. Se călesc superficial oţelurile carbon şi slab aliate cu un conţinut de carbon între 0,35 0,6% C şi fontele cu grafit lamelar, nodular sau grafit de maleabilizare, a căror masă metalică conţine 0,6 0,8% C. Dupa modul de execuţie al operaţiei de răcire a suprafeţei de călit se deosebesc doua metode de călire: cea simultană, caracterizată prin răcirea simultană a întregii suprafeţe de călit şi cea succesiva, prin răcirea progresivă a suprafeţei de călit. In funcţie de mijloacele de încălzire folosite se disting procedee de călire superficială rapide şi ultrarapide. Impulsuri Fascicul laser Fascicul de electroni Puterea specifică [W/cm 2 ] Temp. atinsa de suprafată [ C] Tabel 2.1. Comparaţia între diferite procedee de călire superficială [122]. Adancimea maximă a stratului călit [mm] 5µm-2 mm. Structura Martensita foarte fina,strat alb µm-2 mm. Martensita foarte fina,strat alb Domenii de aplicare Profile complexe cu deformatii foarte mici Profile complexe,volume mici absenta deformatiilor, necesitatea vidului 12

15 Tabel 2.2. Avantajele si dezavantajele diferitelor procedee de călire superficială [122]. Procesul de calire superficiala Avantaje Dezavanteje Călirea superficială cu laser Precizia tratamentului.. Investitii foarte mari. Masuri speciale, Posibilitatea obtinerii unei game mari de grosimi de straturi. de pregatire a suprafetelor.intretinere si reparare dificila.structura neomogena. Posibilitatea tratării locurilor Probleme de securitate. Folo- dificil accesibile celorlalte procedee, prin utilizarea prismelor -sirea straturilor absorbante duce la randament scazut. sau oglinzilor. Deformatii foarte mici. Poate fi automatizat. Călirea superficială cu flux de electroni Călirea superficială cu plasmă Precizia tratamentului.. Deformatii mici. Absenta bbbb oxidarii din cauza utilizarii vidului. Consumul redus de energie. Poate fi automatizat si integrat in fluxul de fabricatiecatie.productivitate ridicata.- Flexibilitatea instalatiilor. Deformatii extrem de mici din cauza adancimii de calire mica.investitii medii.bine adaptata tratamentului continuu(lame sau sarme). Poate fi automatizat si integrat. Investitii mari.necesitate a utilizarii vidului. Limitarea dimensiunilor pieselor. Necesitate demagnetizarii pieselor. Generarea de raze X. Procedeu in curs de dezvoltare. Putin adaptat pieselor de dimensiuni mari si cu suprafete concave si convexe. Uneori necesita dus de racire Tratamentul termochimic de nitrurare constă în îmbogăţirea în azot (nitrogen) a stratului superficial al pieselor din oţeluri sau fonte, în scopul durificării superficiale a acestor piese şi îmbunătăţirii performanţelor lor privind rezistenţa la uzare, la oboseală sau la coroziune. Tratamentul termochimic de nitrurare se realizează, în mod obişnuit, în cuptoare etanşe, în atmosferă de amoniac gazos, care prin disociere pune în libertate atomi activi de azot. 2NH3 2Nactiv + 3H2 (2.7.) Compoziţia chimică a oţelului sau fontei din care se confecţionează piesele supuse nitrurării şi parametrii de regim la care se conduce acest tratament se stabilesc în funcţie de scopul principal urmărit Depunere laser pulsata (PLD) Metoda de depunere laser pulsată (PLD, Pulsed Laser Deposition) este larg folosită în domeniul producerii de straturi subţiri în particular din materiale şi combinaţii de materiale care nu pot fi procesate decât cu mari dificultăţi prin alte metode. Recent, au fost obţinute prin PLD acoperiri de înaltă calitate cu o mare varietate de proprietăţi speciale. [22] 13

16 Principalul motiv al progresului PLD este acela ca materiale cu compozitie oricât de complicata se pot transfera pe un substrat fara schimbarea stoichiometriei (ablatie congruenta). Interacţia radiaţiei laser cu ţ inta (solidă) este complexă, pentru că energia electromagnetică este transformată în energie termică, chimică şi mecanică, provocând excitarea electronică, vaporizarea şi ablaţia materialului. Toate aceste fenomene depind atât de energia ş i frecvenţa impulsurilor laserului, cât şi de proprietăţile optice, termodinamice şi morfologice ale ţintei CĂLIREA SUPERFICIALĂ CU LASER Termenul laser la origine, este acronimul LASER, denumire formată in limba engleză provenind de la iniţialele cuvintelor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ceea ce înseamnă Amplificarea luminii prin stimularea emisiei radiaţiei. Romania a raportat in anul 1961 construirea primului laser, fiind a patra ţară din lume in care s-au realizat laseri. Ion I. Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion Agârbiceanu) a intrat in istoria laserilor romanesti ca fiind cel care a condus colectivul de cercetatori in acea perioada. Dupa 50 de ani de cercetare in acest domeniu tara noastră intră din nou in istorie ocupand o pozitie ierarhica de varf prin participarea la Programul european Extreme Light Infrastructure (ELI) cu ELI NUCLEAR PHYSICS (ELI-NP). Acest proiect urmăreste construirea unui laser de cel puţin 100 de ori mai puternic decât oricare laser existent în acest moment pe Terra. Călirea superficială cu laser constă în încălzirea rapidă și locală a suprafeței unui material la o temperatura superioară temperaturii de austenitizare, fără a ajunge la temperatura de topire a materialului. Răcirea se face prin conducție termică având loc o autocalire. Vitezele de călire superioare vitezelor critice de călire, permit obținerea de structuri martensitice fine [122] CĂLIREA SUPERFICIALĂ CU FASCICULUL DE ELECTRONI Prelucrarea cu fascicul de electroni (Electron Beam Machining EBM), utilizează transformarea energiei cinetice a unui flux de electroni în energie termică în momentul în care aceştia întâlnesc piesa de prelucrat si face parte din categoria procedeelor de prelucrare termice [51],[112]. Procedeul se bazează pe fenomenul de emisie termoelectronică, adică pe proprietatea unui catod încălzit de a emite un flux de electroni. Fasciculul de electroni cu densitate şi energie cinetică mare este accelerat ş i focalizat asupra piesei de prelucrat într-un spaţiu vidat. Energia fluxului se calculează cu relaţia: 14

17 unde: n numărul electronilor; de accelerare [V]; - sarcina electrică a unui electron; U tensiunea - masa unui electron; v viteza de accelerare a electronilor [km/s],[51],[164]. La călirea superficială cu fascicul de electroni, stratul supreficial este încălzit până la o temperatura bine determinată inferioară temperaturii de topire și superioară temperaturii de austenitizare. Răcirea se face prin conducție în interiorul piesei, nefiind nevoie de un mediu special de răcire. Procedeul de călire superficială cu fasciculul de electroni este un procedeu sub vid Instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni. Componenta instalației de prelucrare cu fascicul de electroni este următoarea: dispozitivul de producere şi dirijare a fasciculului de electroni (tunul electronic); instalaţia electrică de alimentare şi producere a tensiunilor de accelerare; instalaţia de realizare a vidului; instalaţia electrică de comandă şi reglare [51],[88] Tunul electronic Tunul electronic este subansamblul principal al unei instalaţii de prelucrare cu fascicul de electroni, asigurând principalele funcţiuni: -producerea electronilor liberi; -formarea fasciculului de electroni; -focalizarea şi direcţionarea acestuia. Fig Tunul electronic [156]. Tratamentul termic superficial cu fascicul de electroni are ca scop obţinerea unei duritaţi superioare pe zona bombardată, faţă de restul materialului netratat. Pe lângă creşterea rezistenţei la uzare, obţinută pe suprafaţa durificată se mai obţine şi creşterea rezistenţei la oboseală. Tabel 2.4. Durificare cu fascicul de electroni [102] Otel OLC20 OLC45 OSC10 VMn10 Rp3 HV recopt HV durificat

18 CAPITOLUL 3. DIRECTII DE CERCETARE, MATERIALE SI APARATURĂ FOLOSITE DIRECŢII DE CERCETARE Studiile si cercetările experimentale din cadrul tezei urmăresc patru directii de cercetare privind imbunătătirea performantelor pieselor supuse la uzare prin tratamente termice neconventionale, cu următoarele obiective: obținerea prin metoda de depunere laser pulsată PLD (pulsed laser deposition) a filmelor subțiri de carbură de siliciu SiC și nitrocarbură de siliciu și SiCN, pe substraturi de OLC45, OLC60, 41Cr4, 34MoCrNi6 care în prealabil au fost supuse tratamentului termic de îmbunătățire (călire +revenire înaltă). Investigarea acestor suprafele prin microscopie de forță atomică (AFM), prin difracție de raze X (XRD), (SEM+EDAX). microscopie optică (OM), microscopie electronică cu baleiaj tratamente termice neconvenționale utilizând laserul de mare putere CO2 aplicate pieselor supuse la uzare prin călirea superficială și topirea (vitrifierea) suprafețelor acestora. Obținerea stratului călit superficial cu ajutorul laserului CO2 la o putere de 500W pe epruvete din oteluri de îmbunătățire carbon OLC45,OLC 60 și aliate 41Cr4, 34MoCrNi6 care au fost în prealabil supuse unui tratament termic de calire+revenire înaltă. Topirea stratului superficial (vitrifierea) s-a realizat cu laserul CO2 la o putere de 700W pe probe din oteluri de îmbunătățire carbon și aliate OLC45, OLC60, 41Cr4, 34MoCrNi6. tratament termic de încălzire ultrarapidă cu surse termice concentrate, respectiv tratament termic cu flux de electroni pentru obținerea călirii superficiale și a topirii suprafețelor epruvetelor din otelurile care fac obiectul de studiu al tezei. încercarea la uzare a suprafețelor depuse prin tehnologii neconvenționale pe tribometrul din dotare, calculul masei gravimetrice, reprezentarea grafică și compararea rezultatelor UTILAJE SI DISPOZITIVE UTILIZATE LA INCERCĂRI. La realizarea acestei teze s-au folosit aparate, utilaje si instalații puse la dispoziție de Universitatea Transilvania din Brasov, Universitatea Gh.Asachi din Iasi, Institutul National de Fizica Laserilor, Plasmei si Radiației Bucuresți si Institutului National de Cercetare-Dezvoltare in Sudura si Incercari de Materiale-ISIM Timisoara Instalaţie pentru depunere laser pulsata (PLD) Instalația cu ajutorul careia s-a realizat depunerea cu laser pulsată, PLD (pulsed laser deposition), obtinandu-se filme subțiri de carbură de siliciu SiC si nitrocarbură de siliciu SiCN, pe substraturi de 16

19 OLC45, OLC60, 41Cr4, 34MoCrNi6 care in prealabil au fost supuse tratamentului termic de imbunatatire (calire +revenire inalta), se compune din : un laser pulsat cu Nd-YAG (CONTINUUM, SURELITE II-10) si unul cu excimeri COMPexPro 205(ArF) care emite la 193 nm. sistemul de vid format din camera de reactie plus sistemul de pompe. Fig.3.1. Depunere laser pulsată (PLD). Montaj experimental Laserul ND:YAG se caracterizează printr-un puls laser cu lungimea temporală de 5 nanosecunde, cu o distributie de intensitate gaussiană si o energie pe puls variabilă in functie de armonica la care functionează, respectiv 650 mj (la 1064 nm), 300 mj (la 532 nm), 155 mj (la 355 nm) si 90 mj (la 266 nm). Laserul ArF cu excimeri cu lungimea de undă de 193nm se caracterizează prin parametrii ca energia maximă a pulsului 400mJ, puterea maximă medie 15 W (măsurată la rata de repetare maximă.), rata de repetare maximă 50 Hz si durata pulsului 25ns. Radiatia laser este focalizată pe tinta aflată in interiorul camerei de depunere sub un unghi de incidenţă de 45. Fig.3.3. Camera de depunere Pentru obtinerea vidului preliminar, s-a folosit o pompă primară, iar pentru obtinerea presiunilor scăzute in incinta camerei de depunere, s-a folosit o pompă turbomoleculară. Măsurarea presiunii din incinta de reactie se realizează prin intermediul a două joje. In timpul proceselor de depunere laser pulsată in atmosferă reactivă, admisia de gaz se face printr-un dispozitiv special cu care este dotată incinta de reactie. 17

20 Instalaţie pentru tratarea suprafeţelor cu fascicul laser Fig.3.4. Epruvetele sub actiunea laserului GT 1200W Incercările experimentele pentru tratarea suprafetelor cu fascicul laser, respectiv călirea superficială si vitrifierea (călirea superficială in fază lichidă) s-au efectuat pe o instalatie formata din doua blocuri principale si anume: unitatea laser si unitatea de alimentare. Fig Instalatia de tratare a suprafetelor cu laser tip GT 1200 W prezentată schematic. 18

21 Instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni. Fig.3.6. Instalatie de prelucrare cu fascicul de electroni Dispozitiv pentru incercari la uzare Cercetările experimentale privind imbunătătirea performantelor pieselor supuse la uzare s-au efectuat pe tribometrul din fig Fig Tribometru pentru determinarea rezistentei la uzare a epruvetelor Materiale si epruvete. Probele folosite in teza de doctorat au fost oteluri de imbunătătire carbon marcile OLC 45, OLC 60 si aliate marcile 41Cr4 si 34MoCrNi6. Epruvetele folosite pentru tratamente termice superficiale cu surse concentrate de energie de mare putere au fost supuse in prealabil unor tratamentele termice de călire urmate apoi de revenire. S-au realizat numeroase seturi de probe de dimensiuni diferite, care au fost supuse diferentiat tratamentului termic de călire. Astfel s-au confectionat epruvete seria A, cu dimensiuni de Ø15 /20mm si probe seria B, cu dimensiuni de Ø8/20mm, acestea din urmă fiind impuse de cotele mandrinului din componenta aparatului de uzare. Fig. Seturi de probe. 19

22 CAPITOLUL 4 CERCETARI EXPERIMENTALE PRIVIND TRATAMENTELE SUPERFICIALE DESTINATE MARIRII REZISTENTEI LA UZARE 4.1.DEPUNERE LASER PULSATA (PLD) Modul de lucru si rezultate obţinute Substraturile au fost discuri de otel-olc 45, OLC60, 41Cr4 si 34MoCrNi6, polisate in prealabil si curătite intr-o baie de ultrasunete succesiv cu apă cu săpun, alcool, acetonă si apă. Ca tinte s-au folosit discuri de carbură de siliciu. Conditiile experimentale folosite la depunerea filmelor subtiri sunt prezentate in tabelul 4.1. pentru carbură de siliciu. Tabel 4.1. Conditiile de depunere laser pulsată PLD a carburii de siliciu SiC pe substrat OLC45,OLC 60, 34MoCrNi6, 41Cr4. Nr. Tinta Marca otel P 1 P AZOT (mbar) d t-c N Puls λ proba (mbar) in timpul depunerii (cm) 885 SiC 41Cr SiC 41Cr SiC 41Cr SiC OLC SiC OLC SiC OLC SiC OLC SiC OLC SiC OLC SiC 34MoCrNi SiC 34MoCrNi SiC 34MoCrNi (nm) Tabel 4.2. Film subtire dur SiCN rezultat prin depunere laser pulsata, substrat OLC 45, OLC 60, 34MoCrNi6, 41Cr4. Nr. Tinta Marca otel P 1 P AZOT (mbar) d t-c N Puls λ proba (mbar) in timpul depunerii (cm) 888 SiCN 41Cr SiCN 34MoCrNi SiCN OLC SiCN OLC (nm) 20

23 Analiza microstructurilor epruvetelor s-a facut prin microscopie cu baleaj (SEM), microscopie de forta atomica (AFM),difractie de raze X (EDAX), microstructuri cu microscopul Nikon MA200 si microduritate Vickers. Probele au fost supuse analizei de microscopie optica dupa ce s-au depus straturi subtiri de carbura de siliciu. Imagine SEM la suprafata stratului (SiC), substrat OLC45. Fig Filme dure de SiC depuse pe OLC 45, imbunatatit, (proba 889). Fig Stratul de SiC cu substrat OLC 45 imbunătătit (proba 892). In cazul depunerii cu carbura de siliciu se observa aglomerări de cristalite care sunt distribuite uniform pe suprafată. O serie de investigatiile microscopice s-au realizat cu microscopia de forta atomica (AFM). Rezultatele scot in evidenta o suprafata rugoasa. Asa cum se poate observa in figurile si 4.15., suprafata stratului nu este unifomă, aspect care se reflectă foarte bine si in valorile microduritătilor obtinute pe aceasta suprafată. Tabel 4.3. Valori ale microduritătii după PLD, pe substrat OLC45 imbunătățit Nr.crt. Oțel Tratament termic Distanta (mm) Duritate (HV 0,005) Depunere 3. OLC laser pulsată 4. îmbunătățit (PLD)

24 Această teză urmăreste in primul rand cresterea rezistentei la uzare a pieselor prin mărirea duritătii stratului superficial. Dacă privim tabelul 4.4. observăm valori apreciabile obtinute in urma depunerii laser pulsată. Acest lucru s-a realizat pe probe supuse initial tratamentului termic de imbunătătire. Tabel 4.4. Valori comparative ale duritătii Duritate Marca oțel După călire După imbunătățire După PLD [HRC] [HRC] [HV 0.005] valori medie valori medie valori medie ,0 634 OLC , , OLC , , , Cr , , MoCrNi , , Carbura de siliciu este foarte dură, ajungand la valori de 2400 HV [dan/mm 2 ]. Chiar dacă filmele obtinute din acest material prin metoda de depunere laser pulsată sunt foarte subtiri, totusi ele imbunătătesc mult duritatea stratului superficial. In figura se observă o epruvetă din OLC45 inainte si după depunere cu SiC. a) b) Fig OLC 45 : a) inainte de depunere(765); b) dupa depunere SiC (proba 884) 22

25 Fig Microscopie de forta atomica AFM film subtire SiC,depunere laser pulsata PLD, substrat otel aliat 41Cr4(calire+revenire inalta). Epruvetele depuse cu carbură de siliciu (SiC) au fost apoi sectionate pentru obtinerea unei microstructuri in strat, substrat si miez. Imaginile prezentate in figura 4.20 reprezintă rezultate obtinute cu microscopul optic (MO). Filmele dure din SiC obtinute prin depunere laser pulsată sunt foarte subtiri, de aceea grosimea stratului se observa vag. a) in strat b) in miez Fig Microstructura in strat (SIC, depunere laser pulsata PLD) si in miez a epruvetei OLC 45 imbunatatit, vazuta la microscopul electronic NIkon MA 100.(proba 890) De asemenea in figura se poate observa zona de interferentă termică imediat in apropierea stratului, aspect confirmat si prin obtinerea unor valori ale microduritătii in adancimea acestuia. Fiind de ordinul micronilor, stratul este străpuns indiferent de sarcină, de aceea pe suprafata stratului duritatea este mai mare decat valorile trecute in tabelul 4.3. Actionand cu diferite sarcini asupra stratului si comparand rezultatele cu cele obtinute in adancimea acestuia, se confirmă 23

26 existenta zonei de tranzitie, asa cum reiese si din imaginile prezentate in figura In imaginile din fig.4.20 b) se poate vedea o structură formată din sorbită de revenire, obtinută in urma tratamentului termic de imbunătătire, ceea ce asigură epruvetei o bună tenacitate si o rezistentă mecanică ridicată. Fig Imagini SEM+EDAX,, cu elementele identificate in microstructura stratului si reprezentarea lor grafica;strat SiC, depus PLD, substrat OLC45imbunatatit. Imaginile din fig sunt realizate cu microscopul electronic cu baleiaj SEM+EDAX pe strat de carbura de siliciu SiC depus cu laser pulsat PLD, substrat OLC45 (călire+revenire inaltă ) si reprezintă micrografiile stratului si reprezentatrea grafică a elementelor identificate in compozitia stratului. 24

27 a) C b) Cr c) Si d) Fe e) toate f) Oxigen Fig Analiza EDX cu spectrofotometrul de fluorescenta in raze X evidentiaza compusii existenti in microstructura stratului SiC depus cu PLD, substrat OLC45. Tabel 4.5. Elementele identificate cu spectrofotometrul de fluorescenta in raze X Element AN [masa %] [masa norm.%] [at. norm. %] Fier 26 76, , , Oxigen 8 13, , , Siliciu 14 9, , , Carbon 6 1, , , Crom 24 0, , ,

28 4.2.TRATAMENTE TERMICE SUPERFICIALE CU LASERUL CO Rezultate experimentale Epruvetele din OLC 45, OLC 60 de dimensiuni (15x20 mm) au fost supuse unui tratament termic de imbunatatire in prealabil dupa care, suprafeţele de tratat au fost rectificate. Pe probele pregatite astfel s-a aplicat tratamentul termic de călire superficială cu radiatia laser. Tabel 4.6.Conditiile de călire superficială cu laser CO2 pentru otelurile de imbunătătire mărcile OLC45 si OLC60. Proba Marca P [w] v [mm/s] d spot [mm] d fascicul [mm] 777 OLC ,5 3, OLC ,5 3, OLC ,5 3, OLC ,5 3,5 30 Fig Epruvete confectionate din otel aliat marcile OLC45, OLC60, 41Cr4 si 34MoCrNi6 călite superficial cu laserului CO 2 ; P=700W; 5 benzi de trecere; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s; In figura sunt prezentate epruvetele tratate termic cu radiatie laser. Se observă cinci benzi de trecere pe suprafata fiecărei probe, diametrul spotului fiind de 3,5mm. Epruvetele din oteluri aliate marcile 41Cr4, 34MoCrNi6 de dimensiuni (15x20 mm), au fost supuse unui tratament termic de imbunatatire in prealabil dupa care, suprafeţele de tratat au fost rectificate. Tabelul 4.7. Conditiile de călire superficială cu laser CO2 pentru otelurile aliate 41Cr4 si 34MoCrNi6. Proba Marca P [w] v [mm/s] d spot [mm] d fascicul [mm] Cr ,5 3, Cr ,5 3, MoCrNi ,5 3, MoCrNi ,5 3,

29 Prin tratarea superficială a suprafetei cu incălzire ultrarapidă cu surse termice exterioare concentrate de mare putere s-au obtinut durităti diferite inregistrate pe stratul epruvetei asa cum se observă si in tabelul 4.8. Acest aspect se poate explica prin faptul că stratul format prin călire superficială nu este uniform si acolo unde există o suprapunere partială a spotului peste o zonă in prealabil călită, duritatea are valori mai mici în comparatie cu zone de adâncime maximă a spotului unde se inregistrează valori ale duritătii mai mari. Tabel 4.8. Valori ale microduritătii după călire cu radiația laser, pe substrat 34MoCrNi6 imbunătățit Nr.crt. Oțel Tratament termic Distanţa (mm) Duritate (HV0,03) MoCrNi6 Călire superficială îmbunătățit cu laser CO Fig Imagini reprezentand analiza SEM, a stratului OLC45 (C+RI), călit superficial CO 2 ; 500:1; P=700W; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s; Fig Micrografie electronica cu baleiaj SEM, strat OLC45 (C+RI), calit superficial CO 2 ; 200:1; P=700W; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s; 27

30 Fig Imagini SEM+EDAX,, cu elementele identificate in microstructura stratului si reprezentarea lor grafica;strat calit superficial CO 2, substrat OLC45imbunatatit. Tabel 4.9. Elementele identificate cu spectrofotometrul de fluorescenta in raze X Element AN [masa.%] [masa norm..%] [norm. at.%] Fier 26 70, , , Oxigen 8 18, , , Carbon 6 3, , , Siliciu 14 1, , , Magneziu 25 0, , ,

31 a) toate b) Fe c) C d) Mn e) Si f) O Fig Analiza EDX cu spectrofotometrul de fluorescenta in raze X evidentiaza compusii existenti in microstructura stratului călit superficial cu radiatie laser, substrat OLC45. Din analiza metalografică a epruvetei din 34MoCrNi6 imbunătătit, călită superficial cu radiatia laserul asa cum se observă si in figura reiese structura martensitică obtinută. 29

32 a) b) Fig Otel aliat 34MoCrNi6 imbunatatit, calit superficial cu CO2, atac nital, 500:1 ; a) adancimea z a spotului; b) spoturi partial suprapuse. a) b) Fig Otel aliat OLC 60 imbunatatit, calit superficial cu CO2, atac nital, :a) ZIT-200:1 ; b) ZIT-500:1 ; P=700W; 5 benzi de trecere; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s; a) b) Fig Micrografia miezului: a) OLC60, imbunătățit călit superficial cu CO2, atac nital, 500:1; b) OLC45,imbunătătit, călit superficial cu CO2, atac nital, 500:1. 30

33 a) b) Fig Otel OLC45 imbunatatit, topit superficial cu CO 2, atac nital, 500:1; a) distanta intre spoturi; b) spoturi partial suprapuse; P=800W; 5 benzi de trecere; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s; Fig OLC45, imbunatatit, topit partial cu CO 2 P=800W; 5 benzi de trecere; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s; a) b) Fig Amprente de microduritate, otel OLC45 imbunătătit, topit cu CO 2 ; a) in ZIT (zona de influenta termica); b) in miez; P=800W; d spot =3,5mm;v =7,5mm/s. 31

34 4.3. TRATAMENTE TERMICE SUPERFICIALE CU FASCICULUL DE ELECTRONI Rezultate obtinute Tabelul Parametrii de călire superficială cu fascicul de electroni Proba Marca oţelului U [kv] v [cm/min] I [ma] 430 OLC OLC OLC OLC MoCrNi MoCrNi MoCrNi MoCrNi OLC OLC OLC OLC Cr Cr Cr Cr d tir [mm] Tabel Valori ale microduritătii după calire cu fascicul de electroni, pe substrat 41Cr4 imbunătățit Nr.crt. Oțel Tratament termic Distanta (mm) Duritate (HV0,005) Călire superficială 3. 41Cr4 cu fascicul de îmbunătățit electroni

35 Tabel Valori comparative ale durității Marca oţel OLC45 OLC60 41Cr4 34MoCrNi6 După călire [HRC] Duritate După îmbunătăţire [HRC] După călire cu fascicul de electroni [HV0.005] valori medie valori medie valori medie , , , , , ,8 37, , , Sunt prezentate in tabelul valori comparative ale duritătii, obtinute dupa tratamentul termic de călire, după tratamentul termic de imbunătătire si de asemenea după călirea superficială cu fascicul de electroni. Se poate observa cresterea apreciabilă a valorilor duritătii in ultimul caz. Tabel Valori comparative ale durității Marca oţel imbunătătit După depunere laser pulsată SiC [HV0,005] Duritate După călire cu fascicul de electroni [HV0.005] OLC OLC , Cr MoCrNi Valori ale duritătii obtinute prin depunere laser pulsată PLD a unor filme subtiri din carbură de siliciu SiC si călirea superficială cu fascicul de electroni sunt prezentate in tabelul In ambele cazuri se observă cresterea duritătii in comparatie cu valori obtinute după îmbunătătire. 33

36 CAPITOLUL 5 INCERCARI DE UZARE ALE PROBELEOR TRATATE SUPERFICIAL 5.6. Date experimentale Probele folosite in teza de doctorat au fost oteluri de imbunatatire nealiate marcile OLC 45, OLC 60 si aliate marcile 41 Cr 4 si 34MoCrNi6. Epruvetele folosite pentru tratamentele termice superficiale cu surse concentrate de energie de mare putere au fost supuse in prealabil unor tratamentele termice de calire urmate apoi de revenire. S-au realizat numeroase seturi de probe de dimensiuni diferite, care au fost supuse diferentiat tratamentului termic de calire. In cuptorul incalzit pana la temperatura de calire au fost introduse probele din otel OLC45 si OLC 60, seria A., intervalul de timp in care ele au fost mentinute fiind de 40 minute. Racirea probelor dupa scoaterea lor din cuptor s-a realizat in mediu lichid, respectiv apa. Inainte de introducerea probelor in cuptorul de revenire acestea au fost supuse unor teste de duritate folosind metoda Rockwell, STAS valorile obtinute fiind cuprinse in tabelul de 5.1. Tabelul 5.1. Durități obținute după călire Nr.crt. Nr.proba Marca oţelului Duritate după călire [HRC] OLC HRC OLC HRC OLC HRC OLC HRC OLC HRC OLC HRC In cuptorul de revenire care a atins temperatura de lucru de 550 C au fost introduse probele si mentinute timp de o ora dupa care cuptorul a fost oprit, iar piesele au fost lasate inauntru pentru inca 30 de minute. Masurarea macroduritatii dupa revenire s-a realizat cu aparatul Rockwell iar valorile sunt cuprinse in tabelul 5.2. Tabelul 5.2. Durități obținute după imbunătățire Nr.crt. Nr.proba Marca oţelului Duritate după imbunătătire [HRC] OLC HRC OLC HRC OLC HRC OLC HRC OLC HRC OLC HRC Din oteluri aliate marcile 41Cr4 si 34 MoCrNi6 au fost de asemenea confectionate epruvetele din care s-au realizat mai multe seturi de probe care au fost supuse unor tratamente termice de calire si 34

37 revenire. Dupa calirea lor in cuptorul cu temperatura de 900 C ele au fost racite in ulei. Testele de macroduritate s-au facut cu aparatul Rockwell iar rezultatele sunt cuprinse in tabelul 5.3. Tabelul 5.3. Durități obținute după călire Nr.crt. Nr. proba Marca oţelului Duritate după călire [HRC] Cr HRC Cr HRC Cr HRC MoCrNi HRC MoCrNi HRC MoCrNi HRC Revenirea epruvetelor confectionate din otel aliat marcile 41Cr4 si 34MoCrNi6 s-a facut in cuptorul incalzit la temperatura de lucru de 550 C si mentinute timp de 60 de minute după care cuptorul a fost oprit, iar piesele au rămas inăuntru pentru incă 30 de minute.valorile macroduritătilor determinate după ce probele au fost scoase din cuptorul de revenire au fost cuprinse in tabelul 5.4. Tabelul 5.4. Durități obținute după imbunătățire Nr.crt. Nr.proba Marca oţelului Duritate după imbunătătire [HRC] Cr HRC Cr HRC Cr HRC MoCrNi HRC MoCrNi HRC MoCrNi HRC Tabelul 5.5. Evolutia masică a epruvetelor pe care a fost depus un strat de carbură de siliciu SiC in timpul testelor de uzare prin frecare Proba Oţel M1 M2 M3 M4 M5 Strat substrat [mg] [mg] [mg] [mg] [mg] 914 OLC 45 SiC 0,01 0,03 0,04 0,05 0, OLC 60 SiC 0,03 0,05 0,07 0,08 0, Cr4 SiC 0,04 0,09 0,14 0,20 0, MoCrNi6 SiC 0,05 0,07 0,09 0,14 0,18 Tabelul 5.6. Evolutia masică a epruvetelor imbunătățite in timpul testelor de uzare prin frecare Proba M1 M2 M3 M4 M5 Oţel marca [mg] [mg] [mg] [mg] [mg] 914 OLC 45 0,01 0,03 0,04 0,05 0, OLC 60 0,03 0,05 0,07 0,08 0, Cr4 0,04 0,09 0,14 0,20 0, MoCrNi6 0,05 0,07 0,09 0,14 0,18 35

38 Tabelul 5.7. Mărimea uzurii la OLC 45 Proba Marca Timp Mărimea uzurii [mg] oţelului [min] Călire+Revenire Călire+Revenire+SiC ,02 0, OLC ,04 0, ,09 0, ,11 0, ,14 0,07 Fig.5.5. Mărimea uzurii la probele din OLC45 tratate diferit. Fig.5.6. Mărimea uzurii la probele din OLC60 tratate diferit Tabelul 5.8.Mărimea uzurii la OLC 60 Proba Timp Mărimea uzurii [mg] Marca oţel [min] Călire+Revenire Călire+Revenire+SiC ,04 0, OLC ,08 0, ,11 0, ,15 0, ,17 0,09 Tabelul 5.9. Mărimea uzurii la.41cr4 Proba Timp Mărimea uzurii [mg] Marca oţelului [min] Călire+Revenire Călire+Revenire+SiC ,01 0, Cr4 30 0,18 0, ,22 0, ,26 0,2 75 0,3 0,28 36

39 Tabelul Mărimea uzurii la 34MoCrNi6 Proba Marca Timp Mărimea uzurii [mg] [min] Călire+Revenire Călire+Revenire+SiC ,07 0, MoCrNi6 30 0,09 0, ,12 0, ,15 0, ,19 0,18 Fig.5.8. Mărimea uzurii la probele din 34MoCrNi6 tratate diferit Fig. 5.9 Mărimea uzurii la probele din OLC60 tratate diferit Tabelul Evolutia masică a epruvetelor imbunătățite in timpul testelor de uzare prin frecare Proba M1 M2 M3 M4 M5 Oţel marca [mg] [mg] [mg] [mg] [mg] 990 OLC 45 0,0032 0,0041 0,0053 0,0074 0, OLC 60 0,0039 0,0048 0,0064 0,0089 0, Cr4 0,0023 0,0040 0,0059 0,0070 0, MoCrNi6 0,0036 0,0129 0,0135 0,0140 0,

40 6.1. CONCLUZII GENERALE. CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUTII PROPRII. In urma cercetărilor stiințifice efectuate si a rezultatelor experimentele obținute in această teză pot formula câteva concluzii generale.uzarea epruvetelor tratate termic cu incălzire ultra rapidă cu surse termice exterioare concentrate de mare putere specifică, respectiv radiația laser si fasciculul de electroni, a pus în evidentă următoarele aspecte: rezistentă mare la uzare a epruvetelor pe care a fost depus stratul de carbură de siliciu SiC prin metoda de depunere laser pulsată (PLD); rezistentă mare la uzare a probelor tratate termic cu laser GT1200W; rezistentă mare la uzare a stratului superficial obtinut prin călirea superficială cu fasciculul de electroni; comportare la uzare foarte buna in urma duritatilor comparabile obtinute prin cele procedee neconventționale aplicate probelor.; din analizele metalografice am observat obtinerea in stratul superficial a unei structuri martensitice iar in miez păstându-se sorbita de revenire. Acest lucru a fost posibil ținând cont de faptul că temperatura de lucru este una superioară temperaturii de austenitizare, fără a ajunge la temperatura de topire a materialului. De asemenea temperatura stratului superficial variază foarte repede, fie ca este vorba de răcire sau de încălzire, tratamentul termic realizându-se fără mentinere la temperatura maximă, aspect confirmat si în literatura de specialitate CONTRIBUTII PROPRII Având in vedere rezultatele obținute în urma diferitelor investigații teoretice și experimentale consider că am îmbogățit cunoștințele în domeniu prin : analizarea filmelor subțiri dure de carbură de siliciu SiC depuse prin tehnica laser pulsată PLD pe epruvete confectionate din oțeluri de îmbunătățire carbon mărcile OLC45, OLC60 si aliate mărcile 41Cr4, 34MoCrNI6 prin microscopie electronică cu baleiaj, SEM; analizarea filmelor subțiri dure de nitrocarbură de siliciu SiCN depuse prin tehnica laser pulsata PLD pe epruvete confectionate din oțeluri de imbunatațire carbon marcile OLC45, OLC60 si aliate marcile 41Cr4, 34MoCrNI6 prin microscopie electronica cu baleiaj, SEM; 38

41 realizarea difractogramelor pentru probele cu film subtire dur de SiC depuse prin tehnica laser pulsată PLD pe epruvete confectionate din oțeluri de imbunatațire carbon mărcile OLC45, OLC60 si aliate mărcile 41Cr4, 34MoCrNI6; realizarea difractogramelor pentru probele călite superficial si topite cu radiatie termică CO2 pe epruvete confecționate din oțeluri de imbunătățire carbon marcile OLC45, OLC60 si aliate marcile 41Cr4, 34MoCrNI6; efectuarea testelor de macroduritate pentru probele supuse tratamentului termic de imbunătățire (călire+revenire inaltă); efectuarea testelor de microduritate la suprafața stratului pentru epruvete supuse tratamentului de călire superficială cu laser CO2 confecționate din oțeluri de imbunatațire carbon marcile OLC45, OLC60 si aliate marcile 41Cr4, 34MoCrNI6 ; efectuarea testelor de microduritate in adancimea stratului pentru epruvete supuse tratamentului de călire superficială cu laser CO2 confecționate din oțeluri de imbunatațire carbon marcile OLC45, OLC60 si aliate marcile 41Cr4, 34MoCrNI6 ; efectuarea testelor de microduritate in adancimea stratului de carbură de siliciu SiC si nitrocarbură de siliciu SiCN, prin depunere laser pulsata PLD pentru epruvete confecționate din oțeluri de imbunătățire carbon marcile OLC45, OLC60 si aliate mărcile 41Cr4, 34MoCrNI6 ; realizarea graficelor de rezistentă la uzare obtinute in urma uzării epruvetelor depuse cu SiC si SiCN pe discuri din fonta cenusie si materiale ceramice; realizarea graficelor de rezistenta la uzare obtinute in urma uzării epruvetelor călite superficial cu laserul CO2 pe discuri din fontă cenusie si materiale ceramice; realizarea graficelor de rezistentă la uzare obținute in urma uzarii epruvetelor topite superficial cu laserul CO2 pe discuri din fontă cenusie si materiale ceramice. obținerea histogramelor in urma rezultatelor obținute prin uzarea epruvetelor depuse cu SiC si SiCN prin metoda laser pulsată. 39

42 obtinerea histogramelor in urma rezultatelor obtinute prin uzarea epruvetelor depuse cu SiC si SiCN prin metoda calirii superficiale cu laser CO2 obtinerea histogramelor in urma rezultatelor obtinute prin uzarea epruvetelor depuse cu SiC si SiCN prin metoda topirii superficiale cu laser CO DISEMINAREA REZULTATELOR 1. A. Zara, E. Ene, B. Novac - STUDIES REGARDING OF SUPERFICIAL HEAT TREATMENTS EFECTUATED WITH MODERN TECNHOLOGIES, AFASES 2009, ISBN ; 2. A. Urs (Zara), M. Benta, R. Oprisan (Stoica), E. Ene, B. Novac - STUDIES REGARDING SEVERAL ASPECTS IN FRETTING WEAR, International Journal of Modern Manufacturing Technologies MODTECH 2010, ISSN ; 3. A. Zara, R. Stoica, N. Torodoc, B. Novac - ASPECTS OF FACTORS AFFECTING LASER TRANSFORMATION HARDENING, AFASES 2010, ISBN ; 4. A. Zara, R. Stoica, E. Ene, G. Dragusin - THERMAL PERFORMANCE OF A PORTABLE WATER HEATER UNDER CLIMATIC CONDITION, International Journal of Modern Manufacturing Technologies MODTECH 2011, ISSN ; 5. E. Ene, A. Zara, B. Novac, Gh. Novac - STAGE RESEARCH ON AMORPHOUS MATERIAL ON TYPE METALL GLASS AND THEIR CONCEQUENCE, BULLETIN OF THE POLYTECHNIC INSTITUTE OF IASI, ISSN ; 6. Novac B., Pitulice C., Ene E., Zara A., Novac Gh. - THE INFLUENCE OF ELABORATION ON QUALITY STEEL FOR TRANSFORMER PLATE, BULLETIN OF THE POLYTECHNIC INSTITUTE OF IASI, ISSN ; 7. E. Zamfir, M. Cazacu, A. Zara - PLASMA METAL CUTTING, AFASES 2010, ISBN ; 8. E. Ene, A. Zara, B. Novac, R. Oprisan (cas. Stoica), N. Torodoc - CHARACTERIZATION TOOL STEELS, AFASES 2010, ISBN ; 9. M. Cazacu, E. Zamfir, A. Zara - STUDIES REGARDING THE CAUSES OF AVERAGES PRODUCED AT COMPONENT PARTS OF ROLLING MATERIALS, AFASES 2009, ISBN ; 10. R.V. Oprisan (Stoica), A. Zara (Urs), B. Novac - AUTOMATIC VISUAL INSPECTION OF SPECULAR SURFACES, AFASES 2010, ISBN ; 40

43 11. E. Ene, A. Zara, B. Novac - STATE OF THE PRESENT RESEARCH OF THE METALIC GLASSER AND THEIR PROPERTIES, AFASES 2009, ISBN ; 12. B. Novac, A. Zara, E.Ene - THE MECHANISM OF CAST IRON BY MIXING LIQUID STATE OF TWO CAST IRON TO A DIFFERENT DEGREE OF SATURATION IN CARBON, AFASES 2009, ISBN ; 13. R.V. Oprisan (Stoica), A.V. Matei (Todor), A. Zara (Urs), B. Novac - RAPID PROTOTYPING TECHNIQUES,, Transilvania University of Brasov, ISSN ; 14. Gh. Novac, M. N. Novac, A. Zara - STUDY TO OBTAIN THE OPTIMAL STRUCTURE OF CAST STEEL PARTS RECONDITIONED BY WELDING, TEHNONAV 2010 THE 7TH INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ON NAVAL, MECHANICAL, INDUSTRIAL AND POWER ENGINEERING ISBN ; 15. R.V. Oprisan (Stoica), A. Zara (Urs), B.Novac - AUTOMATIC VISUAL INSPECTION OF MATTE SURFACES, AFASES 2010, ISBN ; 16. E. Ene, N. Torodoc, A. Zara - INFLUENCE OF VACUUM HEAT TREATMENT ON HIGH SPEED STEEL CHARACTE-RISTICS, BRAMAT 2011 ISSN ; 17. R.V. Oprisan (Stoica), A. Zara (Urs), E. Ene, L. Cristea - AUTOMATIC VIZUAL INSPECTION, Proceedings of the 22nd International DAAAM 2011Symposium. Cotatia revistei Nr.lucrări Denumirea publicatiei ISI 2 Proceedings of the 14th International Conference - Modern Technologies, Quality and Innovation MODTECH Proceedings of the 15th International Conference - Modern Technologies, Quality and Innovation MODTECH 2011 B+ 2 The7th International Conference on Materials Science & Engineering BRAMAT The International Session of X -th Scientific Paper AFASES The 7th International Scientific Conference On Naval, Mechanical, Industrial And Power Engineering TEHNONAV The International Session of XI- th Scientific Paper AFASES BULLETIN OF THE POLYTECHNIC INSTITUTE OF IASI 1 Proceedings of the 22nd International Symposium DAAAM

44 Bibliografie selectiva: [29] F. CRACIUN, P. Verardi, M. Dinescu, Piezoelectric thin films: processing and properties, Handbook of Thin Film Materials, Vol. 3. Ferroelectric and Dielectric Thin Films, Ed- H.S. Nalwa, Academic Press, pp (2002) [30] F. CRACIUN and M. Dinescu, Pulsed Laser Deposition of Piezoelectric Thin Films in R.W. Eason, (ed.), Pulsed Laser Deposition of Thin Films, John Wiley & Sons, New York, pp , ( 2007) [34] H. CZICHOS, T. Saito, L. Smith, Springer Handbook of Materials Measurement Methods, Springer Science+Business Media, Inc,ISBN-10: , [35] H. CZICOS H. Tribology, Elsevier Scientific Publighing Company, Amsterdam-Oxford-New York, (1978). [41] DUMITRESCU C. R.SABAN, Metalurgie Fizica Tratamente Termice, Editura Fair Partners, Bucuresti, 2001 [49] GIACOMELLI, Ioan si col. Structural changes in AlSiCu alongs throngh unconventional thermic treatment aparut in International Conference on Materials Science and Engineering BRAMAT 2003, 2: Brasov : Tipografia Universitatii Transilvania 2003 [50] GIACOMELLI, I. Tehnologii neconventionale cu transformari de faza, Brasov: Editura Lux Libris [60] HOLMBERG, K.: Reliability aspects of tribology, Tribology InternaŃional, 34 (5), 2001, p [61] HOLMBERG, K:COATINGS TRIBOLOGY: Contact Mechanisms, Deposition Techniques and Application. 2nd ed. (Tribology and interface engineering series; v. 56) ISBN: p.43 [76 ] F. LEFEVRE- SCHLICK, D. EMBURY:Ultra Fast Heat Treatment ;Pulse laser irradiation, Hamilton, Ontario,Mc Master University, Department of Materials Science and Engineering, Canada 2005 [78] M. Lippmaa, et.al. Appl. Phys. Lett. 76, 2439 (2000). [79] D.B. LUO, V. Fridrici, Ph. Kapsa, Relationships between the fretting wear behavior and the ball cratering resistance of solid lubricant coatings 2009 Published by Elsevier B.V. [83] MIKOS, I., Organe de masini si transmisii mecanice,editura Mirton,Timisoara, [84] A. MIOTELLO,Paolo M. Ossi,Laser-Sur face Interactions for New Materials Production 42

45 Springer Series in Materials Science ISBN [94] PRIGOGINE I. The End of Certainity. Time, Chaos and the New Laws of Nature. The Free Press. N.Y., London, Toronto, (1997). [ 98] POPESCU, N. si col. : Tratamente termice neconventionale, Editura Tehnica, Bucuresti 1990 [99 ] J.S.PRESTON, G.A. BOTTON: Sectional TEM Examination of Semiconductors Iradiated by laser pulser, aparut in 19th Canadian Materials Conference Hamilton, Ontario McMaster University, Departament of Materials Science and Engineering, Canada, 2007 [100] A.RAMALHO, A geometrical model to predict the wear evolution of coated surfaces, ElsevierB.V,2007 [106]H.R. SHERCLIFFand MF.Asby, The prediction of case depth in laser transformation, metallurgical transactions A, 22A, 1991[] P.H. SHIPWAY,A mechanical model for particle motion in the micro-scale abrasion wear test, Elsevier B.V,2004 [108] M.STOICANESCU et all, Fizica Metalelor, Ed.Universitatii Transilvania din Brasov, 2006 [112] TACHIBANA T., Kong H.S., Wang Y.C, Davis R.F., (1990), Hall measurements as a function of temperature on monocrystalline SiC thin films, Journal of Applied Physics, 67, pp: [117] VERMESAN, GH.et at.,introducere in ingineria suprafetelor, Editura Dacia [118] VERMESAN G. si col. : Tratamente termice speciale, U.T. Cluj [137].ASTM Standard G190-06, ASTM International, West Conshohocken, PA, [138] ASTM Standard G99-05, ASTM International, West Conshohocken, PA, [139] ASTM Standard G133-05, ASTM International, West Conshohocken, PA,

46 Rezumat Teza are drept scop efectuarea unor cercetări experimentale privind îmbunătățirea performanțelor pieselor supuse la uzare prin tratamente termice moderne. Studiile și cercetările experimentale din cadrul tezei se desfășoară pe patru direcții de cercetare cu următoarele obiective: obținerea prin metoda de depunere laser pulsată PLD (pulsed laser deposition) a filmelor subțiri de carbură de siliciu SiC și nitrocarbura de siliciu și SiCN, pe substraturi de OLC45, OLC60, 41Cr4, 4MoCrNi6 care în prealabil au fost supuse tratamentului termic de îmbunătățire ; călirea superficială cu radiația laser, pe epruvete din oteluri de îmbunătățire carbon, OLC45, OLC 60 și aliate 41Cr4, 34MoCrNi6 care au fost în prealabil supuse unui tratament termic de calire+revenire înaltă; călirea superficială cu fascicul de electroni, a suprafețelor epruvetelor din otelurile care fac obiectul de studiu al tezei; încercarea la uzare a suprafețelor tratate termic prin tehnologii neconvenționale pe tribometrul din dotare, calculul masei gravimetrice, reprezentarea grafică și compararea rezultatelor. Din rezultatele experimentale se poate observa îmbunătățirea rezistenței la uzare a epruvetelor, rezultat al durificării suprafețelor prin călire superficială cu radiație laser, călire superficială cu fascicul de electroni și prin depunere de laser pulsată. Abstract The purpose of this thesis is to accomplish experimental research regarding improving the performance of parts subject to wear with modern heat treatments. Studies and experimental research in this thesis is carried out on four lines of research with the following objectives: obtaining by pulsed laser deposition method PLD (pulsed laser deposition) of thin films of silicon carbide SiC and SiCN,on OLC45, OLC60, 41Cr4, 4MoCrNi6 substrates, which previously subject to hardening and annealing. superficial hardening with laser, on steel specimens OLC45, OLC 60 and 41Cr4, 34MoCrNi6 which were previously subjected to a hardening heat treatment + high annealing; superficial hardening with electron beam of steel specimens surfaces, subject to study of the thesis; attempt to wear of unconventional technologies heat-treated surfaces, on existing tribometer, calculation of gravimetric mass, plot and compare the results. From experimental results it can be observed improving wear resistance of specimens, as result of surface hardening by superficial hardening by laser radiation, superficial hardening with electron beam, and pulsed laser deposition. 44

47 45

48 46