Badania mikroskopowe regeneracyjnej warstwy napawanej. Microscopy examination of rebuilding padding weld

Transkrypt

1 2004 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S Indra J., Leiański J.: Wpływ dodatku węglika wolframu WC i temperatury spiekania na własności spiekanych kompozytów na osnowie stali szybkotnącej. XXXI Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków-Krynica 7-10 X 2003, s. 289^ Indra J., Leiański J.: Węglikostale na osnowie stali szybkotnącej M35 z dodatkiem węglika WC - kształtowanie mikrostruktury i własności. Kompozyty Composites Torralba J. M., Cambronero L. E. G., Ruiz Prieto J. M., and DasM. M. Neves: Sinterability study of M2 and T15 high speed steel reinforced with tungsten and titanium carbides. Powder Metallurgy 1993 Vol. 36, No. l, s. 55^66 6. LouD., Hellman J., Luhulima D., Liimatainen J., Lindroos V. K.: Interactions between tungsten carbide (WC) particulates and metal matrix in WC-reinforced composites. Materiał Science and Engineering A340 (2003) 155^ Urrutibeaskoa I., Urcola J. J.: Sintering behaviour of grade M water atomised HSS powders under vacuum and nitrogen rich atmosphere. Powder Metallurgy 1993, vol. 36, no. l 8. Palma R. H., Martinez V., Urcola J. J.: Sintering behaviour of T42 water atomised HSS powder under vacuurn and industrial atmospheres with free carbon addition. Powder Metallurgy 1989, vol. 32, no. 4 Dr inż. LESZEK KUMEK Dr inż. ADAM KRASIŃSKI Dr inż. JAN KACZMAREK adamkras@p.lodz.pl Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka Łódź ul Stefanowskiego 1/15 UKD : : Badania mikroskopowe regeneracyjnej warstwy napawanej Microscopy examination of rebuilding padding weld Niniej sza praca zawiera wyniki badań charakterystyki strukturalnej warstwy otrzymanej w wyniku zastosowania technologii napawania stalą szybkotnącą. Szczegółowej analizie poddano obszar w pobliżu linii wtopienia wykorzystując dostępny asortyment technik instrumentalnych i metod badawczych będący na wyposażeniu Instytutu Inżynierii Materiałowej PL. W pracy zastosowano wibrujący styk gwarantujący poprawną makro- i mikrostrukturę napoiny. Thefollowing elaboration includes the results ofmicrostructure investigation ofthe obtained layers in the conseąuence ofusing the surfacing by welding technology with use high speed steel. The area around the linę offusion has been investigated using accessible research methods in Materials Science Institute at technical University of Lodź. In this work vibrating contact has been applied which guarantee proper mucroand microstructure of padding weld. Słowa kluczowe: regeneracja, napawanie, mikrostruktura, napoina Key words: rebuilding by welding, cladding, microstructure, padding weld 1. Wstęp. Wzrost parametrów eksploatacyjnych części maszyn i urządzeń związany z dużymi obciążeniami i szybkościami powoduje ich przyspieszone zużycie. Procesy zużycia oraz niszczenia w przeważającej mierze zachodzą lub są inicjowane w strefie warstwy wierzchniej [1]. W zależności od charakteru i wielkości ubytku oraz przy uwzględnieniu specyfiki warunków eksploatacji części, regeneracja może być przeprowadzana różnymi metodami, do których zalicza się: metody spawalnicze, galwaniczne, metody wykorzystujące elementy dodatkowe. We współczesnej technologii budowy maszyn są szeroko stosowane różnego rodzaju utwardzone warstwy wierzchnie, otrzymane metodami powierzchniowej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. W przeciwieństwie do nich metody spawalnicze pozwalają na otrzymanie warstw o dowolnej grubości i dowolnym składzie chemicznym na przedmiotach o zróżnicowanych wymiarach i kształcie [2, 3]. Napawanie stwarza możliwość kształtowania warstwy wierzchniej i optymalizacji właściwości użytkowych części maszyn i urządzeń. Zużycie elementów w postaci ubytków geometrycznych jest bardziej intensywne od zużycia zmęczeniowego, dlatego też napawanie stosuje się jako metodę odtwarzania wymiarów zużytych części oraz jako metodę kształtowania właściwości warstwy wierzchniej (np. w efekcie napawania utwardzającego przewidzianego w procesie technologicznym), która pozwala uzyskać napoiny o wymaganym składzie chemicznym, wytrzymałości i twardości [4-6]. W Instytucie Inżynierii Materiałowej opracowano technologię będącą połączeniem procesu napawania stalą szybkotnącą z obróbką cieplną i cieplno-chemiczną uzyskanych napoin, z przeznaczeniem zarówno do produkcji nowych części, jak i do procesów naprawczych. Wyniki badań zarówno charakterystyki strukturalnej, jak i badań eksploatacyjnych warstw, dowiodły o ich znakomitych właściwościach użytkowych. Poprawność przeprowadzonych eksperymentów oraz interpretacja uzyskanych wyników jest bezdyskusyjna. 2. Cel pracy. Dokonując badań mikroskopowych wykonanych warstw, zaobserwowano we wszystkich próbkach występowanie cienkiej, białej strefy w pobliżu linii wtopienia od strony napoiny. Autor pracy [4, 5] nie podjął się głębszej analizy tej strefy, ograniczając się jedynie do stwierdzenia faktu jej istnienia. Dlatego też celem niniejszej pracy było wykonanie napoin ze stali szybkotnącej gatunku HS na podłożu z węglowej stali konstrukcyjnej Tablica 1. Skład chemiczny drutu Tab l e l. Chemical composition of welding wire Pierwiastek Zawartość w % C 0,95 Cr 4,09 W 6,36 V 1,98 Mo 4,56 Mn 0,40 Si 0,49

2 S. 358 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 7-8 Rys. 1. Struktura warstwy napawanej. Trawiono odczynnikiem MilFe i MillFe Fig. 1. The stmcture of a padding weld. Etched: MilFe and Mil2Fe ,8-0,4-0,2 Odległość od linii wtopienia 0,4 Rys. 2. Rozkład mikrotwardości próbki po napawaniu Fig. 2. Microhardness distribution in the sample after surfacing by welding C45 i poddanie ich analizie ze szczególnym uwzględnieniem wspomnianej wcześniej strefy. 3. Badania własne. W pracy wykorzystano drut ze stali szybkotnącej gatunku HS o średnicy 1,2 mm. Skład chemiczny drutu przedstawiony jest w tabl. 1. Próbki wykonano z prętów stalowych okrągłych gatunku C45 o średnicy 25 mm i długości 160 mm. Dobranie optymalnych parametrów napawania pozwoliło na uzyskanie warstw pozbawionych wad mikro- i makrostrukturalnych, które są niedopuszczalne dla części maszyn obciążonych cyklicznie, gdyż stanowić będą zarodki pęknięć zmęczeniowych. Na rys. l przedstawiono strukturę warstwy napawanej studzonej na powietrzu. Jest ona pozbawiona wad strukturalnych typu: pory, pęknięcia, skupiska zanieczyszczeń. Mikrostruktura strefy wtopienia zawiera nieznacznie rozrośnięte ziarna perlitu z ferrytem na granicach ziaren w przypowierzchniowej warstwie materiału rodzimego. Struktura napoiny zawiera martenzyt nieodpuszczony z siatką węglików rozłożonych na granicach ziaren austenitu pierwotnego i pewne ilości austenitu szczątkowego, oraz cienką strefę pozbawioną węglików w pobliżu linii wtopienia. Pomiary mikrotwardości (rys. 2) wykazały nieznaczny jej wzrost w pobliżu linii wtopienia w materiale warstwy napawanej oraz spadek od strony materiału rodzimego. W procesie napawania utwardzającego ważnym zagadnieniem jest nie tylko udział materiału rodzimego w napoinie, decydującym 0 jej składzie chemicznym, ale również równomierne wymieszanie materiału elektrody z materiałem rodzimym, decydujące o jednorodności jej struktury. Analizę rozkładu liniowego pierwiastków w napoinie oraz wpobliżu strefy linii wtopienia wykonano wykorzystując elektronowy mikroskop skaningowy (HITACHI S3000N) wyposażony w przystawkę EDX firmy NORAN. Obserwacje mikroskopowe wykonywano w świetle elektronów wtórnych (SE) 1 wstecznie rozproszonych (BSE). Na rys. 3 przedstawiono rozkład liniowy pierwiastków w warstwie napawanej. W obszarze linii wtopienia widoczny jest spadek zawartości Mo, Cr, V, W, a wzrost Fe. Dokładniejszą analizę tego obszaru zamieszczono na rys. 4. Strefa ta charakteryzuje się ostrym spadkiem zawartości Cr, V, Mo do poziomu odpowiadającego materiałowi rodzimemu, natomiast zmniejszenie zawartości W w badanym obszarze ma charakter bardziej łagodny.

3 2004 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 359 O O o O W Jrttf^ O w Rys. 3. Rozkład liniowy wybranych pierwiastków na przekroju warstwy napawanej Fig. 3. Linear distribution of chosen elements in the padding weld cross-section Na rys. 5 zamieszczono wyniki rozkładu liniowego pierwiastków w badanej strefie dla próbki poddanej wyżarzaniu normalizującemu. Charakter zmian zawartości pierwiastków stopowych w analizowanym obszarze jest bardziej łagodny, nie biorąc oczywiście pod uwagę widocznych na rysunku pików pochodzących od węglików. 4. Podsumowanie. Analizując przedstawione wyniki badań możną stwierdzić, iż struktura uzyskanych napoin jest jednorodna, pozbawiona wad mogących stanowić zarodki pęknięć zmęczeniowych. Cienka strefa bezwęglikowa w pobliżu linii wtopienia, stanowiącą główny cel badań, jest to obszar, w którym obserwuje się zmniejszającą w kierunku materiału rodzimego zawartość pierwiastków stopowych do poziomu tła tegoż materiału. Linia rozkładu Cr, V, Mo charakteryzuje się ostrym spadkiem, a lokalny nieznaczny wzrost zawartości pierwiastków jest wynikiem ułożenia linii analizy przebiegającej w pobliżu granicy wtopienia. Przeprowadzenie wyżarzania normalizującego spowodowało złagodzenie charakteru zmian zawartości poszczególnych pierwiastków w badanej strefie w wyniku zachodzących procesów dyfuzyjnych.

4 S. 360 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 7-f j - ^ ' ^ ' um Rys. 4. Rozkład liniowy wybranych pierwiastków w strefie linii wtopienia Fig. 4. Linear distribution of chosen elements in the linę offusion żonę Literatura 4. Kaczmarek J.: Nanoszenie warstw o wysokiej twar- 1. Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej. Monografia, PL. dości metodą napawania. Praca doktorska. Politechnika Łódzka Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. WNT. Warszawa Haś Z, Kaczmarek J.: Azotowanie próżniowe napawanych warstw ze stali SW7M na stali 45. Materiały III Ogólnopolskiej 3. Wojciechowski W.: Ocena napawalności stali stopowych. Konferencji Naukowej Obróbka Powierzchniowa". Częstochowa Monografia 219. Kraków Kule. 1996, s

5 2004 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S um o um Mo w O Rys. 5. Rozkład liniowy wybranych pierwiastków w strefie linii wtopienia. Próbka po wyżarzaniu Fig. 5. Linear distribution of chosen elements in the linę offusion żonę. Sample after normalizing 6. Krasiński A.: Regeneracja części maszyn i urządzeń poprzez wane w ramach projektu badawczego nr 3T08C05026 Opranapawanie niskowęglową stalą niskostopową wraz z obróbką cowanie i przygotowanie do wykorzystania w przedsiębiorcieplno-chemiczną po napawaniu. Praca doktorska. Politechnika stwach małej i średniej wielkości technologii zwiększenia trwa- Łódzka 2003 łości elementów silnie obciążonych, regenerowanych lub odtwarzanych" finansowanego przez Komitet Badań Nauko- Powyższa publikacja powstała w oparciu o prace realizo- wych.