Kompozytowe warstwy powierzchniowe z cząstkami WC w osnowie

Kompozytowe warstwy powierzchniowe z cząstkami WC w osnowie

ADAM PIASECKI, ANDRZEJ MŁYNARCZAK, DARIUSZ BARTKOWSKI, BARTŁOMIEJ DUDZIAK,
MAREK GOŚCIAŃSKI, MARTA PACZKOWSKA, MIKOŁAJ POPŁAWSKI
Kompozytowe warstwy powierzchniowe
z cząstkami WC w osnowie stopu niklu
wytworzone metodą napawania laserowego
WPROWADZENIE
METODYKA BADAŃ
Głównym problemem dotyczącym maszyn i urządzeń rolniczych
jest ich zużywanie się w czasie eksploatacji. Najczęściej powoduje
to potrzebę wymiany narzędzia lub zakupu nowej maszyny.
Powoduje zwiększenie kosztów utrzymania parku maszynowego.
Występuje wiele czynników, które wpływają na zużycie
materiału, są to między innymi: tarcie, odkształcenie plastyczne,
korozja, obciążenie udarowe. Z przeprowadzonych badań wynika,
że ponad 50% przestojów i awarii jest związana ze zużyciem lub
uszkodzeniem narzędzi przez tarcie [1]. W celu zminimalizowania
zużywania się elementów roboczych i tym samym zwiększenia ich
trwałości eksploatacyjnej modyfikuje się ich konstrukcje. Zmiana
kształtu narzędzia powoduje zmiany kątów natarcia w odniesieniu
do gleby czy innych mediów ściernych. Same zmiany konstrukcyjne nie są jednak wystarczające. Bardzo istotną rolę
odgrywa materiał narzędzia, a przede wszystkim właściwości jego
powierzchni.
Obecnie w celu zwiększenia trwałości eksploatowanych
w branży rolniczej narzędzi i części maszyn stosuje się obróbkę
powierzchniową, która ma na celu zwiększenie odporności na
zużycie warstwy wierzchniej przy jednoczesnym zachowaniu
odpowiedniej plastyczności rdzenia materiału narzędzia. Warstwy
takie są wytwarzane metodami: ogniową, dyfuzyjną, elektrolityczną czy w procesie napawania. Dzięki zastosowaniu warstw
otrzymuje się powierzchnię o zwiększonej odporności eksploatacyjnej oraz rdzeń odporny na działanie obciążeń udarowych [2].
Aby stać się konkurencyjnym na wymagającym rynku narzędzi
rolniczych nie wystarczy zaproponować najniższą cenę. Producenci oraz szerokie grono inżynierów kładą nacisk na wysoką
jakość wyrobów, która zaczęła odgrywać znaczącą rolę.
Tradycyjne techniki produkcji są wypierane przez nowoczesne
technologie. Należy do nich technologia proszkowego napawania
laserowego (laser cladding) pozwalająca wytworzyć warstwy
powierzchniowe o unikatowych, niemożliwych do uzyskania
innymi metodami właściwościach. Technologia dzięki bardzo
łatwej automatyzacji i robotyzacji bardzo dobrze rokuje na
przyszłość i cieszy się coraz większym zainteresowaniem producentów narzędzi [3÷9].
W pracy przedstawiono wyniki badań warstw napawanych
laserowo na powierzchni stali RAEX 450. Przeanalizowano jakość
wykonania napoiny, badając mikrostrukturę, mikrotwardość oraz
skład chemiczny wytworzonych kompozytowych warstw
powierzchniowych.
Warstwy powierzchniowe wytworzono na trudnościeralnej stali
bainitycznej o nazwie handlowej RAEX 450. Skład chemiczny
stali określono za pomocą spektrometru Solaris CCD PLUS
(tab. 1).
Napoiny wytworzono metodą proszkowego napawania laserowego za pomocą mieszaniny proszków 50% mas. Inconel 625
oraz 50% mas. WC. Warstwa napawana została wykonana przez
nałożenie trzech ścieżek. Morfologię i wielkość cząstek mieszaniny proszkowej pokazano na rysunku 1. Obraz wykonano w kontraście elektronów wstępnie sprężyście rozproszonych (BSE),
jasne cząstki odpowiadają węglikom wolframu, natomiast ciemniejsze to cząstki stopu niklu.
Napawanie laserowe przeprowadzono, stosując dwie wartości
mocy wiązki lasera 750 W i 800 W oraz prędkość posuwu wiązki
laserowej 500 mm/min i 540 mm/min. Zastosowano średnicę
wiązki lasera równą 1,84 mm, nakładanie się ścieżek 54%,
Dr inż. Adam Piasecki ([email protected]), dr hab. inż. Andrzej
Młynarczak, prof. nzw., mgr inż. Dariusz Bartkowski, dr inż. Mikołaj
Popławski – Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska, dr inż.
Bartłomiej Dudziak, dr inż. Marek Gościański – Przemysłowy Instytut Maszyn
Rolniczych, Poznań, dr inż. Marta Paczkowska – Instytut Maszyn Roboczych i
Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska
Table 1. Skład chemiczny stali RAEX 450 (% mas.)
Tabela 1. The chemical composition of RAEX 450 steel (wt %)
Materiał
RAEX
450
C
0,275
Mo
0,075
Si
0,130
Al
0,033
Mn
1,163
Cu
0,039
P
0,015
B
0,001
S
0,002
Ti
0,029
Cr
0,379
V
0,006
Rys. 1. Morfologia i wielkość cząstek mieszaniny proszkowej
Fig. 1. Particle morphology and size of powder mixture
Nr 5/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 397
szybkość podawania proszku 16 g/min, odległość między
końcówką głowicy a podłożem 17 mm. Szybkość przepływu
gazów: nośnego (He) ustalono na 8 l/min, a osłonowego (Ar) na
10 l/min.
Obserwację makroskopową wytworzonych warstw powierzchniowych przeprowadzono nieuzbrojonym okiem w celu sprawdzenia jakości ich wykonania, wykrycia ewentualnych wad, takich
jak: pęknięcia, pęcherze, żużel, wtrącenie innego metalu, niewłaściwe przetopienie, nierówności powierzchni.
Przygotowane zgłady metalograficzne w celu ujawnienia
mikrostruktury powierzchni trawiono roztworem HCl i HNO3
w proporcji 1:3. Podłoże natomiast trawiono 2% nitalem. Mikrostrukturę obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu
elektronowego Tescan Vega 5135.
Profile mikrotwardości na przekroju warstwy od powierzchni
do podłoża zarejestrowano za pomocą mikrotwardościomierza
Micromet II firmy Buehler zgodnie z normą dotyczącą badania
twardości sposobem Vickersa PN-EN ISO 6507-1:2007. Obciążenie wgłębnika wynosiło 50 G.
Skład chemiczny wytworzonej kompozytowej warstwy powierzchniowej oraz podłoża badano za pomocą mikroanalizatora EDS
Prism Si(Li) 2000 firmy PGT. Na przekroju poprzecznym próbki
przeprowadzono jakościową analizę zawartości pierwiastków
wzdłuż linii oraz ilościową analizę w wybranych punktach.
Rys. 3. Mikrostruktura warstwy powierzchniowej wytworzonej przy
gęstości mocy 280 W/cm2
Fig. 3. Microstructure of the surface layer produced at power densities
equal to 280 W/cm2
WYNIKI BADAŃ
Na rysunku 2 przedstawiono wytworzone metodą napawania laserowego kompozytowe warstwy powierzchniowe oraz zastosowane parametry. Użyto dwie gęstości mocy wiązki lasera, tj.
300 W/cm2 i 280 W/cm2. W zależności od zastosowanych parametrów stwierdzono odmienny stan warstwy wierzchniej. Stosując
moc wiązki 800 W i posuw 500 mm/min (300 W/cm2), w warstwie powierzchniowej nie stwierdzono pęknięć, porowatości ani
innych wad powierzchniowych widocznych okiem nieuzbrojonym. Nie stwierdzono obecności wad kształtu napoiny. Zmniejszając moc wiązki do 750 W wraz z jednoczesnym zwiększeniem
prędkości posuwu do 540 mm/min (280 W/cm2), zaobserwowano
obecność wad powierzchniowych w postaci licznych porowatości
(rys. 3). Ponadto wytworzone warstwy charakteryzowały się
nieregularnym kształtem w porównaniu z napoiną wytworzoną
przy gęstości mocy 300 W/cm2 (rys. 4). Wynikało to z mniejszej
ilości podawanego proszku w czasie oddziaływania wiązki na
materiał. Dodatkowo wiązka o mniejszej mocy dostarczała
mniejszą ilość ciepła, co zmniejszyło przetopienie z podłożem.
W wyniku nałożenia trzech ścieżek pod napoiną powstaje strefa
wpływu ciepła złożona ze stref pochodzących od pojedynczych
ścieżek.
Na rysunkach 4 i 5 przestawiono mikrostrukturę warstwy
wytworzonej z mieszaniny proszków Inconel 625 i WC za pomocą
wiązki lasera o mocy równej 800 W i prędkości posuwu
500 mm/min. Zbudowana jest ona z kulistych cząstek węglików
pierwotnych wolframu w osnowie stopu niklu.
Rys. 2. Makroskopowy obraz wytworzonych napoin
Fig. 2. Macroscopic image of produced overlay weld
Rys. 4. Mikrostruktura warstwy powierzchniowej wytworzonej przy
gęstości mocy 300 W/cm2
Fig. 4. Microstructure of the surface layer produced at power densities
equal to 300 W/cm2
Węgliki występują w całym obszarze napawanej warstwy.
W większości są w niej równomiernie rozłożone i nie obserwuje
się ich skupisk, które występują w przypadku odlewanych kompozytów ceramicznych o osnowie metalicznej. Równomierne
rozłożenie węglików w warstwie powierzchniowej jest bezpośrednio związane z dobrym wymieszaniem mieszaniny proszkowej oraz tylko dwukrotnie większą gęstością WC od osnowy.
Stosowanie mieszanin o znacznie większych różnicach gęstości
poszczególnych składników prowadzi do powstawania aglomeratów. Mikrostrukturę osnowy stanowią dendrytyczne ziarna,
na granicy których stwierdzono obecność eutektyki. Mikrostrukturę podłoża w strefie wpływu ciepła bezpośrednio pod
napoiną, w osi ścieżki stanowi martenzyt (rys. 6), natomiast
w miejscu nałożenia ścieżek martenzyt odpuszczony (rys. 7).
Na podstawie przeprowadzonej jakościowej analizy punktowej
(rys. 5) w obszarze węglik-osnowa stwierdzono, że skład chemiczny w punkcie 1 odpowiada węglikowi wolframu. W punktach
2 i 3 na granicy węglika z osnową zaobserwowano duży udział
pierwiastków węglikotwórczych, tj. W, Cr, Mo. Podczas procesu
napawania dochodzi do całkowitego stopienia proszku stopu niklu
(Tt ok. 1300°C) i częściowego nadtopienia pierwotnych węglików
wolframu (Tt = 2870°C). W wyniku tego na granicy węglikosnowa powstają złożone węgliki wtórne, które dają dyfuzyjne
wiązanie węglików z osnową i zapewniają ich zakotwiczenie.
Ponadto następuje częściowe nasycenie osnowy wolframem
i węglem.
Stężenie pierwiastków w punkcie 4 pozwala przypuszczać, że
obszar ten stanowi roztwór stały Cr, W, Mo i Fe w Ni. W punkcie
5 zauważono zmniejszenie zawartości Ni i zwiększenie zawartości
Mo oraz W. Prawdopodobnie obszar ten składa się z eutektyki
zbudowanej z roztworu stałego Cr, W, Mo i Fe w Ni oraz
złożonych węglików wtórnych.
398 _________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ___________________ ROK XXXV
Rys. 5. Mikrostruktura i wyniki jakościowej analizy punktowej w obszarze węglik-osnowa
Fig. 5. Microstructure and results of point qualitative analysis in the carbide-matrix area
zawartość żelaza zwiększa się, co należy tłumaczyć dobrym jego
wymieszaniem z materiałem dodatkowym.
Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono profile mikrotwardości
w funkcji odległości od powierzchni. Twardość osnowy napion
powstałych w procesie napawania laserowego mieści się w przedziale od około 400 HV0,05 do około 550 HV0,05. Skokowy
charakter profili twardości jest związany z kompozytową budową
napoin. Twardość węglików wolframu wynosi ok. 2500 HV0,05.
Twardość strefy wpływu ciepła podłoża w badanych próbkach
mieści się w przedziale od ok. 400 do ok. 600 HV0,05. Związane
to jest z ponownym zahartowaniem podłoża stali bezpośrednio
pod napoiną na martenzyt (rys. 9) oraz odpuszczeniem martenzytu
przez kolejną ścieżkę (rys. 10). Sprzyja temu duża szybkość
chłodzenia oraz wzbogacenie tej strefy w węgiel i chrom.
Twardość podłoża poza sterfą wpływu ciepła wynosi ok. 450÷470
HV0,05.
Rys. 6. Mikrostruktura martenzytu (SWC)
Fig.6. Microstructure of martensite (HAZ)
Rys. 7. Mikrostruktura martenzytu odpuszczonego w miejscu
nałożenia ścieżek (SWC)
Fig. 7. Microstructure of tempered martensite at the overlapping tracks
(HAZ)
Wyniki analizy składu chemicznego wzdłuż liniina granicy
warstwa napawana-podłoże przedstawiono na rysunku 8. Osnowa
warstwy zawiera główne pierwiastki pochodzące z materiału
dodatkowego, tj. nikiel, chrom i molibden. Im bliżej podłoża, tym
Rys. 8. Analiza składu chemicznego wzdłuż liniina granicy warstwa
napawana-podłoże
Fig. 8. Linear analysis of chemical composition on the boundary: layer substrate
Nr 5/2014 ____________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A _________________________ 399
Rys. 9. Profil mikrotwardości warstwy napawanej przy gęstości mocy
lasera 280 W/cm2 wzdłuż osi ścieżki
Fig. 9. Microhardness profile for layer produced using laser power
density of 280 W/cm2 along the axis of a track
Rys. 10. Profil mikrotwardości dla warstwy napawanej przy gęstości
mocy lasera 300 W/cm2 w miejscu nakładania się ścieżek
Fig. 10. Microhardness profile for layer produced using laser power
density of 300 W/cm2 at the overlapping tracks
LITERATURA
WNIOSKI
 Najlepszą jakościowo warstwę uzyskano przy gęstości mocy
lasera 300 W/cm2. Zmniejszenie gęstości mocy podczas procesu napawania powoduje powstanie pęcherzy i porowatości
gazowych oraz nieregularnego kształtu napoiny.
 Wytworzone warstwy powierzchniowe o grubości ok. 2 mm
charakteryzują się kompozytową budową. W osnowie
zbudowanej z roztworu stałego chromu, wolframu, molibdenu
i żelaza w niklu oraz eutektyki złożonej z roztworu stałego
i złożonych węglików wtórnych są rozmieszczone równomiernie pierwotne węgliki WC.
 Węgliki pierwotne WC są zakotwiczone w osnowie dzięki
dyfuzyjnemu ich połączeniu pośrednio przez złożone węgliki
wtórne.
 Twardość osnowy wytworzonych napoin mieści się w przedziale 400÷550 HV0,05. Twardość węglików wolframu
wynosi ok. 2500 HV0,05.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. WNT, Warszawa (2000).
Hejwowski T.: Badania odporności na zużycie ścierne i erozyjne powłok
napawanych. Inżynieria Materiałowa 5 (2006) 1005÷1008.
Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Wydaw.
Nauk. Akapit, Kraków (2000).
Bogdanowicz Z., Grzelak K.: Właściwości użytkowe stali zaworowych
napawanych laserowo proszkiem stellitowym. Acta Mechanica et
Automatica 3 (2) (2009) 10÷12.
Guo C., Chen J., Zhou J., Zhao J., Wang L., Yu Y., Zhou H.: Effects of
WC-Ni content on microstructure and wear resistance of laser cladding
Ni-based alloys coating. Surface & Coatings Technology 206 (2012)
2064÷2071.
Singh R., Kumar D., Mishra S. K., Tiwari S. K.: Laser cladding of Stellite
6 on stainless steel to enhance solid particle erosion and cavitation
resistance. Surface & Coatings Technology 251 (2014) 87÷97.
Ghabchi A., Rombouts M., Holmberg K., Persoons R.: Microstructure and
failure modes during scratch testing of laser cladded WC-NiCrBSi
coatings with spherical and angular carbides. Tribology 1 (2013) 13÷20.
Liu Z., Cabrero J., Niang S., Al-Taha Z. Y.: Improving corrosion and
wear performance of HVOF-sprayed Inconel 625 and WC-Inconel 625
coatings by high power diode laser treatments. Surface & Coatings
Technology 201 (2007) 7149÷7158.
Zhong M., Liu W., Yao K., Goussain J. C., Mayer C., Becker A.:
Microstructural evolution in high power laser cladding of Stellite 6+WC
layers. Surface and Coatings Technology 157 (2002) 128÷137.
400 ________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A __________________ ROK XXXV