WPL YW STOPOW ANIA LASEROWEGO l NAPAW ANIA METODĄ TIG NA MIKROSTRUKTUKTURĘ STALI 50Hl1G9N4

Transkrypt

1 36/33 Solidific:3tioD o{ MeWs m:l A1loys. No ~ Mdali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN- Oddział Kalowice PL ISSN WPL YW STOPOW ANIA LASEROWEGO l NAPAW ANIA METODĄ TIG NA MIKROSTRUKTUKTURĘ STALI 50Hl1G9N4 NAPADLEK Wojciech, PATEJUK Aleksy, PRZETAK1EWICZ Wojciech Wojskowa Akademia Teclmiczna. ul.gen. S.Kałiskiego 2, Warszawa Stn:suzenie W pracy przedstawiono wyniki badań struktur stali 50H2IG9N4 po stopowaniu laserowym i napawaniu metodą TIG proszkami na bazie ni1du. aimninium, kobaltu i chromu. W rezultacie pr.t:eprowadzonych badań laboratoryjnych stwierdzono obecność struktur silnie dyspersyjnych o budowie dendrytycznej nie posiadających określonej orientacji krystałograficznej (zwłaszcza w wyniku stopowania laserowego proszlciuni na bazie kobaltu i chromu). Napawanie łukowe metodą TIG pozwała na uzyskanie struktur -drobnoziarnisty\.it, o wi:ełłcości ziaren nieco większej niż po stopowaniu laserowym, posiadające dendrytyczną budowę o ziamach ułożonych w kierunl...-u odprowadzania ciepła. Slwierdzono TÓWUież występowanie wąskiej strefy wpływu ciepła powstałej w wyniku stopowania laserowego badanej stali proszkami stepowymi, w której nie zaobserwowano rozrostu ziaren austenitu. W wyniku modyfikowania badanej stali przez napawanie metodą TIG, uzyskano struktury wykazujące większy rozrost ziaren austenitu w strefie przetopionej i strefie wpływu ciepła. l. Wstęp Gwałtowny rozwój techniki, zwłaszcza w kilku ostatnich dziesięcioleciach naszego wieku, spowodował ogromne zapotrzelx>wanie na energię i materiały o bardzo specyficznych właściwościach. Pojawiające się ponadto cyklicznie światowe kryzysy energetyczno--- surowcowe, a także perspektywy szybkiego wyczerpania się złóż niektórych surowców wymust..ają działania zmierzające do obni7.enia energoc.hłonności i materiałochłonności produkcji. Próbuj~ się to uzyskać różnymi metodami. Jednym ze sposobów wyjścia z tej sytuacji stosowarie materiałów alternatywnych lub nowych technologii opartych na konstytuowaniu warstwy wierzchniej (WW) materiałów wykorzystywanych dotyt,-hczas [l]. Na szczególną uwagę zasługuje tu obróbka laserowa [1-4]]. Charakterystyczna dla niej bardzo duża szybkość grzania i chłodzenia, po-lwała na realizację procesu hartowania powierzchniowego. Metody z przetopieniem wnożłiwi:ają wprowadzanie pierwiastków stopowych do warstwy wierzchniej przez ~opowanie, natapiaure i platerowanie.

2 256. Celem niniejszej pracy była ocena zmian strukturalnych WW stali austenitycmej 50H21 G9N4, po jej konstytuowaniu przez stopowanie laserowe i napawanie metodą TIG. l. Metodylal.JładaJi Do badań użyto laser technologiczny C~ o działaniu ciągłym firmy PHOTON SOURCES typu VFA 2500 o mocy znamionowq 2,5 kw. W urządzeniu tym istnieje możliwość programowania w czasie wartości mocy oraz obrotu i przesuwu stołu w osiach X i Y z prędkością do 18 m/min. Stanowisko jest wyposażone ponadto w obrotnik sprzężony z komputerem sterującym. W pracy zastosowano soczewkę lasera ZnSe o długości ogniskowej 5 cali i współosiowy z wiązką nadmuch gazu obojętnego. Do stopowania przyjęto moc lasera P=2 kw, dobraną w ramach badań wstępnych. W badaniach istotne było, aby średnica plamki lasera odpowiadała szerokości stopowanej przylgni zaworu, przy zachowaniu wymaganej gęstości mocy. Biorąc więć pod uwagę, że średnica plamki wiązki promieniowania laserowego zależy od długości ogniskowej M: wartość tego parametru ustalono na podstawie prób. Procesy stopowania przeprowadzane były z różnymi prędkościami skanowania w zakresie O, 4+ l,2 m/ min. Pozwoliło to uzyskać różną głębokość oraz szerokość stref przetopionych, a co z tym związane także ich zróźnicowanie pod względem twardości, struktury i właściwości. Do badań austenitycznej. Grzybki zaworów poddano piaskowaniu w komorowej piaskarce ssącej, a następnie ich przylgnie natryskano plazmowo proszkiem stopowym na bazie kobaltu PMCo-55, o składzie : 45+6()0/oCo, 28+34o/oCr, 7+12%W, 4+6% C+Si+B, proszkiem chromu oraz proszkiem niklowo-aluminiowym NtAI 70/30 o składzie : 70%Ni i 30%Al. Natryskanie przeprowadzono za pomocą plazmotronu Plancer PN-200, przy natężeniu prądu 400A Granulacja użytych proszków wynosiła J..Ull. Napawanie metodą TIG w osłonie argonu wykonano, na zaworach fabrycznie nowych, za pomocą zestawu typu Ffl-500. Zawory mocowano pod kątem 45 w uchwycie manipulatora spawalniczego typu OM7-10, posiadającego możliwość płynnej regulacji prędkości obrotowej w zakresie od 0,36 do 11,2 obr/min. Końcówka głowicy spawalniczej została wykonana z miedzi, w celu przystosowania jej do podawania proszku metalicznego w obszar łuku. Ze względu na łatwość regulacji i dużą stabilność łuku zastosowano prąd stały o ujemnej biegunowości. Do napawania użyto elektrodę wolframową o średnicy 03 mm. Ze względu na znaczną temperaturę topnienia zastosowanych proszków, a stąd zastosowano nowe zawory wylotowe silnika S-359 wykonane ze stali niebezpieczeństwo nadtapiania krawędzi grzybka zaworu, przyjęto następujące wartości natężenia prądu napawania: 80, 90, 100, 110 A. Proszek o granulacji j.lm podawany był grawitacyjnie za pomocą podajnika z płynnie regulowaną prędkością podawania. W celu uzyskania napoin o wymaganych właściwościach, wydatek proszku zmieniano w zakresie od l O do 20 cm 3 /min. Podczas napawania stosowano prędkość obrotową manipulatora w zakresie od 3 do l O obr/min. Podyktowane to było potrzebą uzyskania równomiernego i pełnego przetopu na całej powierzchni przylgni. Analizę metalograficzną przylgni zaworów po stopowaniu i napawaniu prowadzono w płaszczyźnie prostopadłej do denka grzybka. Próbki trawiono chlorkiem żelaza. Mikrofotografie charakterystycznych obszarów warstwy wierzchniej wykonano przy powiększeniach od 50 do l200x.

3 3. Wyniki badań i ich analiza 251 Na rysunkach l +7 zarni~zono zdjęcia mikrostruktur, otrzymanych w wyniku stopowania laserowego i napa~a łukowego TIG stali zaworowej 50H21G9N4 proszkami na bazie Cr, Co, N"tAl. Na rys. l przedstawiono strukturę stali po stopowaniu laserowym proszkiem r.a bazie kobaltu PMCo-55. W stopowanej ścieżce (rys. la) można zaobserwować wyraźny podział warstwy wierzchniej na cztery charakterystyczne strefy: przetopionego proszku - L mieszaniny przetopionego proszku z materiałem rodzimym-li, wpływu ciepła (SWC) - m i materiału rodzimego - IV. Strefa przetopiona wykazuje charakterystyczną dla obróbki laserowej budowę dendrytyczną, komórkową o dużej dyspersji, typową dla bardzo szybkiego chłodzenia metalu (rys. lb). Taka struktura j~st wynikiem dużych szybkości nagrzewania i chłodzenia, osiągających wartości zbliżone do szybkości rozchodzenia się. ciepła w materiale, warunkujących powstanie bardzo dużej liczby zarodków krystalizacji. Na granicach ziaren nie obserwujt; się występowania wydzieleń innych faz. Bardzo szybkie zmiany temperatury silnie ograniczają bowiem zachodzenie procesów dyfuzyjnych niezbędnych do utworzenia wydzieleń, czy też ujednorodnienia materiału w makroobszarach. Otrzymana w wyniku stopowania struktura strefy wpłyvm ciepła (rys. Ie) stanowi również charakterystyczny efekt obróbki laserowej. Mikrostruktura tej strefy jest drobnoziarnista o rozrośniętych, równoosiowych ziarnach austenitu, z widocznymi nieliczr.ymi wydzieleniami węglików na granicach ziaren. Dzięki bardzo dużym szybkościom nagrzewania i chłodzenia, czas oddziaływania strumienia cieplnego na materiał jest bardzo krótki, w wyniku czego nie występuje rozrost ziaren w strefie wpływu ciepła. Jest to jedna z niewątpliwych zalet obróbki laserowej. Na rys. 2 przedstawiono strukturę stali stopowanej laserowo proszkiem chromu (Cr). Tutaj rćwnieź zaobserwowano (rys. 2a) podział warstwy wierzchniej materiału na trzy strefy: przetopioną- l, wyraźnie jaśniejsza strefa wpływu ciepła - ll i materiału rodzimego - m. Struktura strefy przetopionej (rys. 2b) jest drobnoziarnista, z dendrytami nie posiadającymi określonej orientacji krystalograficznej, zanikającymi przy powierzchni. Jasne obszary występujące przy powierzch..-li są najprawdopodobniej przesycone chromem. Ze względu na węglikatwórcze własności chromu, w warstwie przetopionej występują obszary wydzieleń węglików. Przyczyną powstania węglików jest bardzo duża ilość chromu, która spowodowała nierównowag0we krzepnięcie powstałego stopu. Przeprowadzone obserwacje na mikroskopie skaningowym oraz badania składu chemicznego warstwy przetopionej potwierdziły występowanie przemian wydzieleniowych. W strefie wpływu ciepła (rys. 2c), w pobliżij knlńców nadtopienia, zauważono nieznaczny rozrost ziaren oraz obszary dyfuzji chromu. Przy zastosowaniu do stopowania proszku NiAl 70/30, uzyskano strukturę o nieco większych dendrvtach komórkowych występujących przy powierzchni strefy przetopionej (rys. 3a, b), przechodzącą w wyraźnic ukierunkowaną strukturę dendrytyczną przy dnie przetopu (rys. 4a,b), o rozrośniętych ziarnach kolumnowych. Stwierdzono również duży rozrost ziaren austenitu w strefie wpływu ciepła (rys. Je i 4c), spowodowany najprawdopodobniej dużą przewodno ś c i ą cieplną proszku NtAi. Brak wydzieleń węglików jest wynikiem stabilizującego wpływu niklu i aluminium na austenit. W wyniku modyfikowania stali SOH21 G9N4 proszkami stopowymi przez napawanie metodą TIG, uzyskano struktury wykazujące więlr.szy rozrost ziaren austenitu w strefie przetopionej i w strefie wpływu ciepła w porównaniu do struktur otrzymanych na drodze laserowego stopowania. Zasięg strefy wpływu ciepła w przypaóku napawania jest prawie dwa razy większy. Na rys. S, przedstawiono mikrostrukturę stali austenitycznej po napawaniu chromem. W tym przypadku, uwidaczni1t się budowa dendrytyczna strefy przetopion~j (rys. Sb) o nieregułarnych, rozrośniętych ziarnach kolumnowych. Przy dnie przetopu, ziarna te ułożone są prostopadle do granicy przetopienia. Widoczny jest także rozrost ziaren w strefie wpływu ciepła

4 201-Jm c) b) -:>Q u m ~ strefa pr.zp.topiona -! ~ ~ a) III I V - material rodzimy Rys. l. Mikrostruktura stali 50H2! G9N4 stopowanej laserowo proszkiem na bazie kobaltu (PMCo-55).

5 259 l c) b) r-~ 20pm 1--1 Rys. 2. Mikrostruktura stali 50H21G9N4 stopowanej laserowo proszkiem chromu: I- strefa przetopiona, II- strefa wpływu ciepła, m- materiał rodzimy.

6 260 c) 201-1m Rys. 3. Mikrostruktura stali SOH21G9N4 stopowanej laserowo proszkiem NiAI 70/30.

7 261 a) 1001-Jm b) strefa przetopiona - I c ) strefa wpływu ci epła - ll Rys. 4. Mikrostruktura stali 50H21G9N4 stopowanej laserowo proszkiem }fial 70/30 (w pobliżu granicy strefy przetopionej).

8 i-Jm t a) - b) Rys. 5. Mikrostruktura stali 50H2IG9N4 napawanej łukowo proszkiem chromu.

9 ..,.t f,. '!I

10 264 (rys. Sc), spowodowany dłuższym oddziaływaniem :str.nnienia cieplnego. Poza tym, różnice w budowie strefy przetopionej w stosunku do strefy stopowanej laserowo wynikają ze!i:posobu wprowadzania materiału dodatkowego. Przed stopowaniem, proszek nanoszony był na powierzchnię materiału poprzez natryskiwanie plazmowe, a następnie przetapiany z mateńałem podłoża za pomocą bardzo skupionego źródła ciepła, jakim jest wiązka laserowa. Natomiast w przypadku napawania łukowego metodą TIG, proszek podawany był bezpośrednio w obszar jarzacego się łuku elektrycznego, gdzie następowgło jego częściowe przetopienie, a następnie grawitacyjne wprowadze:-.ie do roztopionego mateńału podłoża. Z tego też powodu, obserwuje się większe ujednorodnienie struktury w makroobszarach stref przetopionych po napawaniu łukowym. Na r;s. 6a, przedstawiono charakterystyczne strefy występujące w napoinie wykonanej przez napawanie łukowe proszkiem na bazie NiAI. Wyróżnić można trzy podstawowe strefy: przetopioną, SWC i materiału rodzimego. Wyodrębnić można również strefę przejściową pomiędzy warstwą przetopioną, a strefą wpływu ciepła. Jest to prawdopodobnie obszar niepełnego przetopu i częściowej dyfuzji, w której zaobserwować można liczne wtrącenia tlenkowe oraz wydzielenia węglików w postaci drobnych sferoidów. Uwidacznia się także znaczny rozrost ziaren austenitu w strefie wpływu ciepła (rys. 6d), podobnie jak to miało miejsce po stopowaniu laserowym z użyciem tego proszku. Zjawisko takie jest szczególnie niekorzystne, z uwagi na pogorszenie własności wytrzymałościowych nlijx>iny, która w warunkach dynamicznych obciążeń, jakim podlega przylgnia zaworu podczas pracy, mogłaby ulegać pękaniu i wykruszaniu. Znacznie kofz!'stniejszą budowę warstwy przetopionej, otrzymano po napawaniu stali austenitycznej proszkiem na bazie kobaltu (rys. 7). Uzyskano drobnoziarnistą strukturę o nieregułamych równoosiowych dendrytach, nie posiadających wyraźnej ońentacji kierunku krzepnięc ia (rys. 7a), z widocznymi fazami wydzieleniowymi. W strefie wpływu ciepła (rys. 7b), zaobserwowano równoosiowe ziarna austenitu, z widocznymi w postaci "perlistych" kuleczek wydzieleniami węglików. Rozrost ziaren austenitu jest niewielki, w stosunku do mateńału wyjściowego. a) b) Rys. 7. Mikrostruktura stali SOH21G9N4 napawanej łukowo proszkiem PMCo-SS : a) strefa przetopiona, b) strefa \\'pływu ciepła

11 26S Po przeprowadzeniu analizy struktury stali 50H21 G9N4 modyfikowanej proszkami stopowymi można sformułować następujące wnioski: l. Na.ibardziej korzystną strukturę, silnie dyspersyjną. o budowie dendrytycznej, nie posiadającą określonej orientacji krystalograficznej, uzyskano w wyniku stopowania laserowego proszkami na bazie kobaltu i chromu. 2. W przypadku modyfikowania proszkami PMCo-55 i Cr metodą napawania łukowego otrzymano również strukturę drobnoziarnistą, o wielkości ziaren nieco większej niż po stopowaniu laserowym. posiadające dendrytyczną budowę o ziarnach ułożonych w kierunku odprowadzania ciepła. 3. Najmniej korzystną budowę struktury otrzymano po modyfikowaniu stali proszkiem NiAl 70130, zarówno poprzez laserowe stopowanie, jak i napawanie łukowe metodą TIG. Dendryty w strefie przetopionej charakteryzują się dużym rozrostem, przechodząc przy dnie przetopu posiadają silnie rozrośnięte gałęzie. 4. Najmniejszym zasięgiem strefy wpływu ciepła oraz najmniejszym rozrostem ziarna w tej strefie. charakteryzują się próbki otrzymane w wyniku stopowania laserowego proszkami na bazie chromu i kobaltu. 5. Stopowanie laserowe przylgni zaworowych proszkami metalicznymi PMCo-55 i Cr pozwala uzyskać strukturę o dużym rozdrobnieniu i podwyższonq twardości, co może podwyższyć odporno~ na zużycie w warunkach tarcia modyfikowanych warstw wierzchnich. Autorzy dziękują pracownikom Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie za pomoc w wykonaniu próbek przeznaczanych do bajań. 5. Literatura [l] T. Burakowski: Lasery technologiczne i ich zastosowanie w inżynierii powierzchni metali. Przegląd Mechaniczny (1993). [2] M. Nowicki: Lasery w technologii elektronowej i obróbce materiałów. WNT. Warszawa [3] T.Burakowski, E. Roliński, T. Wierzchoń, Inżynieria powierzchni metali, WPW, Warszawa [4] A.Amende, Die gezie/te Verandderung der Gebrauchseigenschajtten von meta//iscłren Rondschichten unter Einsatz des Hoch/eistung- C0 2 -Lasers, Vortrage des 8. lnternationalen Kongresses, Springer- Verłag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris,Tokyo 1987.