PRZECIWNAWĘGLENIOWE POWŁOKI NAKŁADANE NA ODLEWANE ELEMENTY PIECÓW DO NAWĘGLANIA

Transkrypt

1 75/18 ARCHWUM ODLEWNCTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL SSN PRZECWNAWĘGLENOWE POWŁOK NAKŁADANE NA ODLEWANE ELEMENTY PECÓW DO NAWĘGLANA STRESZCZENE B. PEKARSK 1 Politechnika Szczecińska, nstytut nżynierii Materiałowej Szczecin, Al. Piastów 17 W pracy przedstawiono wyniki badań nad wykorzystaniem powłok na bazie aluminium w celu zabezpieczania odlewów wykonanych ze stopu G-X35NiCrSi przed negatywnym oddziaływaniem atmosfery nawęglającej. Powłoki wytwarzano metodą proszkową i pasty. Wykazano, że powłoki są w stanie czasowo zabezpieczyć przed nawęglaniem żarowytrzymałe elementy pieców do nawęglania. Key words: Fe-Ni-Cr cast steel, protective coatings, resistance against carburisation 1. WPROWADZENE Żarowytrzymałe elementy wyposażenia pieców do nawęglania (palety, kosze, wirniki, rury promieniujące) wykonywane są ze staliwa Ni-Cr. W trakcie eksploatacji ulegają one zniszczeniu głównie w wyniku oddziaływania procesów nawęglania i zmęczenia cieplnego (rys. 1). Wzrost trwałości tych elementów można osiągnąć poprzez nakładania na ich powierzchnię przeciwnawęgleniowej powłoki, na przykład powłok na osnowie aluminium [1]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań nad doborem tego typu powłok. 2. WYTWARZANE POWŁOK CH OCENA Poniżej przedstawiono fragment wyników badań dotyczących oceny jakości powłok typu Al-Cu, Al-Si, Al-Fe oraz Al-Cu-Si. Trzy pierwsze powłoki nakładano na próbki ze staliwa typu 36%Ni-17%Cr metodą proszkową, a czwartą metodą pasty. 1 dr hab. inż., odlew@ps.pl 473

2 a b 100 mm 100 mm Rys. 1. Odlewy wycofane z eksploatacji: a) uszkodzona paleta podstawowa, b) dwuczłonowa rura promieniująca; stopień uszkodzenia powierzchni odzwierciedla rozkład temperatury na jej długości Fig. 1. The castings withdrawn from service: a) damaged guide grate, b) radiant heating tube; the degree of surface degradation reflects temperature distribution along its length 2.1. Metoda proszkowa Próbki o wymiarach Ø25 3 mm nasycano dyfuzyjnie w odpowiednich mieszaninach proszkowych [2]. Otrzymane powłoki miały wyraźną dwustrefową budowę (rys. 2). Zewnętrzna strefa składała się głównie z fazy (Ni,Fe)Al, a wewnętrzna była mieszaniną wydzieleń węglików chromu typu M 23 C 6 i fazy (Fe,Ni) 3 Al w roztworze γ nasyconym aluminium. Granicę pomiędzy strefami stanowiła prawie ciągła warstewka węglików chromu. Al-Cu 30 µ m Al-Si Rys. 2. Mikrostruktura powłok otrzymanych metodą proszkową; trawiono: 3 g FeCl ml HCl + 90 ml C 2 H 5 OH Fig. 2. Microstructure of coatings obtained by powder method; etched with 3 g FeCl ml HCl + 90 ml C 2 H 5 OH Zdolność ochronną powłok oceniono na podstawie wartości współczynników dyfuzji węgla [3]. Do tego celu wykorzystano izotopową metodę autoradiografii zgła- 474

3 dów skośnych, która umożliwia wyznaczenie profilu stężenia węgla w cienkich warstwach. Jako znacznika użyto izotopu węgla 14 C. Próbki z powłokami nawęglano w atmosferze wytworzonej z metanolu i octanu etylu przez 15 godzin w temperaturze 900 o C. Potencjał węglowy atmosfery wynosił c p = %. W warstwie nawęglonej można wyróżnić przynajmniej dwa obszary: o względnie stałym stężeniu węgla, przejściowy, między powloką a podłożem. Rozkład stężenia węgla na przekroju powłok, wskazywał że proces nawęglania powłok przebiega dwuetapowo [3]. Wyznaczono współczynniki dyfuzji węgla w poszczególnych obszarach (odpowiednio D 1 i D 2 ) (rys. 3). Współczynnik dyfuzji węgla D 10 9, m 2/s Al-Cu Al-Si Al-Fe 14 5 D D Rys. 3. Wartość współczynnika dyfuzji węgla w powłokach w temperaturze 900 o C Fig. 3. The value of carbon diffusion coefficient in coatings at a temperature of 900 o C Etap pierwszy określa czas, po którym powłoka zostaje w całej objętości nasycona węglem. Ten proces jest kontrolowany dyfuzją węgla w obszarze przejściowym (obszar ). Drugi etap odpowiada transportowi węgla do podłoża. Limituje go dyfuzja węgla w obszarze. Wartość współczynnika dyfuzji D 1, dla wszystkich badanych powłok, mieści się w przedziale od do m 2 /s (rys. 3). Dla porównania współczynnik dyfuzji węgla w austenicie Fe-Ni dla zawartości niklu % i węgla od 0 do 0.4% waha się w przedziale od do m 2 /s [4]. Można więc uznać, że dyfuzja węgla przez badane powłoki jest o trzy rzędy wolniejsza niż w podłożu co potwierdza skuteczność działania badanych powłok. Jednocześnie wartości współczynnika D 1 w powłokach Al-Cu i Al-Si wskazują na ich zdecydowaną wyższość nad powłoką Al-Fe. Z tego powodu dalszą relację z badań oceniających stabilność strukturalną powłok w warunkach nawęglania i oddziaływania udarów cieplnych ograniczono tylko do dwóch pierwszych powłok. Skuteczność działania powłok oceniono również w warunkach zmęczenia cieplnego (rys. 4). Próbki ( mm) bez i z powłoką nawęglano w nawęglaczu proszkowym w temperaturze 900 o C przez 500 godz. Co 20 godzin, w trakcie wymiany nawęglacza, część próbek z powłokami poddawano dwukrotnemu zabiegowi: nagrzewania do temperatury 900 o C, wytrzymywania przez 30 minut i chłodzenia w oleju temperaturze 20 o C. 475

4 a b c 10 µ m Rys. 4. Mikrostruktura próbek po 500 godz. nawęglania: a) próbka bez powłoki, b) nawęglana próbka z powłoką Al-Cu, c) nawęglana i męczona cieplnie próbki z powłoką Al-Cu Fig. 4. Microstructure of specimens after 500 h carburising: a) without coating, b) with Al-Cu coating, c) with Al-Cu coating additionally subjected to thermal shocks Próbki bez powłoki nawęgliły się do głębokości 1.2 mm (rys. 4a), a w próbkach z powłoką obserwuje się minimalne ślady nawęglenia podłoża (rys. 4b). W wyniku procesu męczenia cieplnego trzeciej grupy próbek utworzyły się pęknięcia w powłokach, a część węglików w nich wydzielona uległa utlenieniu (rys. 4c). Niezależnie od stopnia uszkodzenia powłok, spełniają one częściowo swoją funkcję ochronną Metoda pasty Do badań wytypowano powłokę typu Al-Cu-Si [3]. Dodatek krzemu do powłoki miał podwyższyć jej żaroodporność. Do mieszaniny proszkowej wprowadzono spoiwo aby uzyskać pastę o odpowiedniej konsystencji i przyczepności do podłoża (tab. 2). Tabela 2. Warunki wytwarzania powłoki Al-Cu-Si metodą pasty Table 2. The conditions of an Al-Cu-Si coating fabrication by the paste method Skład pasty (% mas.): 55.5% A + 35% B + 9.5% C - gęstość pokrycia około 0.5 g/ cm 2 A. Część metaliczna 45%Al + 45%Fe + 10%Cu B. Spoiwo wodny roztwór (1:1) szkła wodnego (m k = 3) mieszanina soli (45%NaCl + 45%KCl + 10%NaF) stopiona w 600 o C C. Topnik Temperatura i czas procesu 900±10 o C / 3.5 godz. Pastę nanoszono jednostronnie na próbki o wymiarach mm. Następnie pokrycie suszono na powietrzu, a potem nagrzewano z piecem do temperatury procesu bez stosowania atmosfery ochronnej. 476

5 Otrzymano powłoki o trójstrefowej budowie (rys. 5a). Skuteczność ochronną powłok oceniono w analogiczny sposób jak we wcześniejszym eksperymencie: nagrzewanie do temperatury 900 o C, wytrzymywania przez 30 minut i chłodzenia w oleju temperaturze 20 o C. a 10 µ m bez powloki z powłoką rdzeń Odległość od powierzchni, µ m Rys. 5. Mikrostruktura próbek po 340 godz. nawęglania: a) próbka z powłoką, b) ocena skuteczności działania powłoki za pomocą pomiaru twardości Fig. 5. Microstructure of specimens after 340 h carburising: a) with coating b) evaluation of the coating protective power through hardness measurements Pęknięcia i wykruszenia w powłoce były już widoczne po 340 godzinach prowadzenia procesu nawęglania i męczenia cieplnego (rys. 5a), przy czym w tym okresie nie obserwowano jeszcze przenikania węgla do podłoża (rys. 5b). Obecność Al 2 O 3 w zewnętrznej () strefie powłoki (rys. 6) wskazuje, że część zawartego w niej aluminium uległa utlenieniu, co wpływa bezpośrednio na obniżenie jej żaroodporności. HV 0.05 b Al2O3 M7C3 (Fe,Ni)Al MC 7 3 Ni3Cr2SiC Al2O3 NiCr2O4 Al2O3, M7C3 γfe Al2O3, NiCr2O4 Al2O3, (Fe,Ni)3Al (Fe,Ni)Al, Al2O θ 128 Rys. 6. Wyniki rentgenowskiej analizy fazowej w kolejnych warstwach nawęglanej powłoki Fig. 6. The results of X-ray phase analysis in the successive layers of a carburised coating 477

6 3. PODSUMOWANE Wyniki badań oceniających skuteczność ochronną wybranych powłok na osnowie aluminium w warunkach oddziaływania nawęglania i zmęczenia cieplnego wykazały że: powłoki hamują dyfuzję węgla do podłoża przez pewien czas, po przekroczeniu którego ich działanie słabnie lub całkowicie zanika, powłoki wytworzone metodą proszkową mają zdecydowanie lepsze właściwości ochronne niż powłoki wytwarzane metodą pasty. Wynika to głównie z ich większej odporności na udary cieplne, metoda wytwarzania powłok ma istotny wpływ na ich grubość oraz udział i morfologię składników strukturalnych. W efekcie obserwuje się zróżnicowaną bu-dowę, co skutkuje różnicami w ich trwałości, pomimo, że powłoki wykazały swoją przydatność w badanych warunkach, ich trwałość jest jeszcze zdecydowanie za niska by mogły one istotnie wydłużyć czas eksploatacji żarowytrzymałych elementów pieców do nawęglania, ze względu na dobrą odporność na nawęglanie, a niską na wstrząsy cieplne, dalsze prowadzenie badań w kierunku podwyższania czasu pracy powłok jest szczególnie uzasadnione w przypadku tych elementów, które pracują w polu stabilnych temperatur (rury promieniujące, wirniki). LTERATURA [1] Hocking M. G., Vasantasree V., Sidky P. S.: Metallic and ceramic coatings, Longman Scientic & Technical, UK [2] Christodulu P., B. Piekarski B.: Neue Hütte, 5(1986)192. [3] Garbiak M. et al: Przeg. Odlew., 9(2004)742. [4] Bose S. K., Grabke H. J.: Z. Metalikde., 1(1976)8. ANTCARBURSNG COATNGS APPLED ON PARTS OF CARBURSNG FURNACES This paper shows the results of research on application of aluminium-based coatings to protect castings made from cast steel type 36%Ni-18%Cr, operating under the conditions of thermal shocks, from an adverse effect of the carburising atmosphere. The coatings were produced the powder method and the paste method. t has been proved that the examined coatings can provide a temporary protection against carburising effect to cast parts of the carburising furnaces. Recenzował: Prof. Jerzy Kubicki 478