THE INFLUENCE OF PLASTIC WORKING ON THE SELECTION PROPERTIES OF THE NICKEL ALUMINIUM ALLOY COATINGS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No THE INFLUENCE OF PLASTIC WORKING ON THE SELECTION PROPERTIES OF THE NICKEL ALUMINIUM ALLOY COATINGS Robert Starosta 1, Robert Skoblik 2, Tomasz Dyl 1 1 Gdynia Maritime University, Faculty of Marine Engineering, Morska 83, Gdynia 2 Gdansk University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Narutowicza 11/12, Gdask Abstract In the paper chance for practical application of plastic working to finishing coating was analyzed. Alloy coatings Ni-5%Al were obtain by flame spraying. These coatings have monophase structures of solid solution. Steel (C45) samples with alloy coatings were cold and hot (950 o C) rolling and pressing. During of plastic working was used effective force to obtain of relative drafts = 6%, 9%, 12% value. After finishing the adhesion reduction, cracks on the surface and cross- sections of coatings deposited on steel base wasn t observed. The largest value of strain hardening (U HV ) of alloy coating Ni-5%Al was stated after pressing. The metallic coatings obtain by thermal flame spraying be characterized by big surface roughness. Studying coating was received average value of parameter of Ra = 13 m. The plastic working caused decrease surface roughness. Minimum value of Ra parameter was observed after hot rolling. It was found that maximal roughness was presented after pressing. The corrosion tests were performed in 0.01 M H 2 SO 4 solution by potentiokinetic technique. The corrosion rate was dependent on method of plastic working. The increasing relative drafts resulted in rise corrosion current density and decrease in value of corrosion potential. Exception to the rule was found for hot rolling. Keywords: technology, engine parts, alloy coating, plastic tooling WPYW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ NA WYBRANE WACIWOCI POWOK STOPOWYCH NIKIEL ALUMINIUM Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki bada nad moliwoci zastosowania technologii obróbki plastycznej (walcowania na zimno i gorco, oraz prasowania) do ksztatowania wybranych waciwoci natryskiwanych pomieniowo powok stopowych Ni-5%Al o strukturze jednofazowej, a mianowicie granicznego roztworu staego, o maksymalnej 10% rozpuszczalnoci glinu w sieci krystalograficznej niklu. Celem pracy jest wstpna analiza moliwoci zastpienia tradycyjnie stosowanych metod wiórowej obróbki wykaczajcej badanych powok metodami powierzchniowej obróbki plastycznej. Próbki stalowe (C45) z naoon powok poddano procesowi walcowania na zimno uzyskujc wartoci gniotów wzgldnych ( = 6, 9, 12%), walcowaniu na gorco w temperaturze 950 o C ( = 6 i 12 %) oraz prasowaniu na zimno ( = 12%). Po obróbce plastycznej nie zaobserwowano zuszcze i odwarstwie materiau na powierzchni rzeczywistej i przekroju poprzecznym powok. Jakociowa ocena przyczepnoci powok metod tzw. szybkich zmian temperatury nie wykazaa negatywnego wpywu odksztacenia plastycznego powoki na badan waciwo. Pomiary twardoci wykazay, e najwiksze umocnienie powok nastpio po operacji prasowania na zimno (56%), najmniejsze po walcowaniu próbek na gorco. Obróbka plastyczna przyczynia si równie do poprawy struktury stereometrycznej (chropowatoci) powok. Natryskiwane pomieniowo powoki cechoway si znaczn wartoci parametru R a (13 m). Obróbka plastyczna spowodowaa znaczny spadek wartoci redniego arytmetycznego profilu nierównoci. Pomiary profilometryczne wykazay, e najmniejsze wartoci wspóczynnika R a uzyskano dla powok walcowanych na gorco z najwikszymi wartociami odksztacenia wzgldnego, a najmniejsze dla próbek prasowanych. Polaryzacyjne badania korozyjne w rodowisku 0,01 M H 2 SO 4 wykazay, e w wikszoci wypadków operacji obróbki plastycznej nastpi wzrost gstoci prdu korozyjnego ( 25%) jak i spadek potencjau korozyjnego ( 10%). Wyjtkiem jest proces walcowania na zimno ( 12%), dla którego nie stwierdzono pogorszenia waciwoci korozyjnych. Sowa kluczowe: technologia, elementy silnikowe, powoki stopowe, obróbka plastyczna

2 R. Starosta, R. Skoblik, T. Dyl 1. Wprowadzenie W pracy okrelono wpyw wielkoci odksztacenia na umocnienie charakteryzujce si wspóczynnikiem umocnienia U HV i waciwoci stereometryczne okrelone na podstawie parametru chropowatoci R a powok niklowo-aluminiowych, przeprowadzono badania dowiadczalne walcowania paskich wyrobów i prasowania z naniesion powok stopow Ni- 5%Al metod natryskiwania pomieniowego. Natryskiwanie pomieniowe ma szerokie zastosowanie do nakadania powok przy wytwarzaniu i regeneracji narzdzi do przeróbki plastycznej i elementów czci maszyn (walce hutnicze, matryce kunicze, toczyska, czopy waów napdowych i korbowych, powierzchnie lizgowe oa tokarki, gniazda zaworowe i cylindry silników spalinowych, ruby napdowe okrtowe i krawdzie robocze podajnika limakowego) [1, 2]. Powoki otrzymane za pomoc natryskiwania cieplnego cechuje dua warto chropowatoci powierzchni [3]. Dlatego powoki musz by poddane obróbce wykaczajcej. Najczciej stosuje si obróbk skrawaniem (np. toczenie, szlifowanie). W pracy zaproponowano obróbk plastyczn na zimno poprzez walcowanie i prasowanie, a na gorco poprzez walcowanie, jako obróbk wykaczajc powok stopowych niklowo-aluminiowych natryskiwanych cieplnie, jako technologie pozwalajce na ksztatowanie ich waciwoci. Przygotowanie próbek Powoki stopowe Ni-5%Al naoono na podoe stalowe (C45) metod natryskiwania pomieniowego. Podczas realizacji procesu technologicznego natryskiwania pomieniowego powok stopowych zastosowano nastpujce parametry [3, 4]: cinienie gazu palnego - acetylenu: 0,07 MPa, cinienie tlenu: 0,4 MPa, odlego palnika od natryskiwanej powierzchni: 150 mm. Jako materia powokowy uyto proszku ProXon (Tabela 1). Tab. 1. Skad chemiczny proszku ProXon [3, 4] Tab. 1. The chemical composite of ProXon 21021powder [3, 4] Pierwiastek Udzia masowy, % Ni 93,45 Al 5 B 0,8 Fe 0,34 Cr 0,18 Si 0,15 C 0,08 Po przeprowadzonych rozwaaniach teoretycznych okrelono, e najkorzystniejszy rozkad odksztace uzyskano dla pasma o gruboci powoki h p =0,6 mm [5]. Dlatego te w Katedrze Materiaów Okrtowych i Technologii Remontów Akademii Morskiej w Gdyni, do przeprowadzenia bada dowiadczalnych przygotowano próbki paskie stalowe z naniesion powok o redniej gruboci h p =0,68 mm (Tabela 2). Tab. 2. Wyniki analizy statystycznej pomiaru gruboci powoki (wartoci w) Tab. 2. The results of statistic analysis of coating thickness m) Liczba pomiarów rednia Mediana Minimum Maksimum Odch. std. Bd std ,93 5,39 442

3 The Influence of Plastic Working on the Selection Properties of the Nickel Aluminum Alloy Coatings Proces walcowania prowadzono w walcarce duo Ø150 mm znajdujcej si w Instytucie Modelowania i Automatyzacji Procesów Przeróbki Plastycznej Politechniki Czstochowskiej, dla dwóch gniotów wzgldnych = 6% i = 12% (proces trójzabiegowy- 3 x =2%) przy staej prdko walcowania 0,2 m/s. Walcowanie prowadzono na zimno w temperaturze otoczenia i na gorco w temperaturze 950 C. Dokonano równie prób obróbki wykaczajcej bezwiórowej w Laboratorium Przeróbki Plastycznej Katedry Technologii Materiaów Maszynowych i Spawalnictwa Wydziau Mechanicznego Politechniki Gdaskiej. Walcowanie prowadzono na zimno w temperaturze otoczenia w walcarce laboratoryjnej duo o rednicy walców Ø200 mm i dugoci beczki 250 mm, dla dwóch gniotów wzgldnych = 6% i = 9%. Prasowanie próbek z naniesion powok Ni-5%Al wykonano na zimno na prasie hydraulicznej typu ZD20 (max. 20 ton), dla gniotu wzgldnego = 12%, nacisk jednostkowy okrelono rzdu 900 MPa. 2. Metodyka bada Oceny wpywu odksztacenia na struktur powok dokonano za pomoc mikroskopu optycznego Axiovert 25 przy powikszeniu 200 razy. Ocen przyczepnoci powok stopowych i kompozytowych do podoa przeprowadzono zgodnie z norm PN-79/H dwiema metodami jakociowymi: - metod rys wykonano trzy równolege rysy rysikiem traserskim w odlegoci 2 mm od siebie, w poprzek próbki, - metod zmian temperatur próbki nagrzano w piecu do temperatury 573 K i wygrzewano je przez 15 minut, a nastpnie chodzono w wodzie o temperaturze otoczenia. Oceny dokonano ogldajc powok pod mikroskopem stereoskopowy MBC-9 przy piciokrotnym powikszeniu. Przyczepno powoki uznawano za dobr, jeeli nie zaobserwowano zuszcze, pcherzy lub odwarstwie. Pomiar chropowatoci powierzchni powok natryskiwanych pomieniowo, przed obróbk plastyczn, wykonano w Zakadzie Metrologii i Jakoci Wydziau Mechanicznego Politechniki Koszaliskiej. Uyto profilometr stykowy Hommel Tester T8000 niemieckiej firmy Hommelwerke. Ocen struktury stereometrycznej powierzchni powok, po obróbce plastycznej, wykonano na podstawie pomiaru redniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatoci (parametr R a ). Chropowato powok mierzono profilometrem HOMMEL TESTER T1000. Dugo odcinka pomiarowego wynosia 4,8 mm, a odcinka elementarnego 0,8 mm. Pomiaru twardoci dokonano za pomoc twardociomierza typu Vickersa. Zastosowano si 50 N. Po przeprowadzonych badaniach laboratoryjnych walcowania i prasowania próbek paskich z naniesion powok stopow okrelono, e gniot wzgldny wpywa w znacznym stopniu na popraw jakoci powierzchni i umocnienie powoki stopowej Ni-5%Al. Okrelono wspóczynnik umocnienia, który przedstawiono wzorem: gdzie: HV 0 twardo powoki nieobrabianej 160 HV50; HV 1 twardo powoki po obróbce plastycznej. HV 1 U HV, (1) HV0 Pomiar odpornoci na korozj powok wykonano metod potencjodynamiczn w ukadzie trójelektrodowym. Odtuszczon acetonem próbk o powierzchni 0,75 cm 2, elektrod pomocnicz (polaryzujc) z platynowanego tytanu oraz elektrod odniesienia (nasycona elektroda kolomelowa) umieszczono w naczyniu, w którym znajdowao si 500 ml 0,01 M roztworu H 2 SO 4 o temperaturze otoczenia. Przed dokonaniem pomiarów próbki zostay poddane jednogodzinnej 443

4 R. Starosta, R. Skoblik, T. Dyl ekspozycji w elektrolicie w celu ustabilizowania si potencjau korozyjnego. Podczas pomiaru elektrolit by cay czas mieszany. Badania wykonano rejestrujc krzywe polaryzacji i=f(e) w zakresie 150 mv od potencjau korozyjnego. Jako pierwsz rejestrowano krzyw katodow, a nastpnie anodow. Szybko zmian potencjau, we wszystkich przypadkach, wynosia 10 mv/min. W celu okrelenia wartoci gstoci prdu korozyjnego posuono si programem komputerowym "Elfit - corrosion polarization data fitting program". Program wyznacza parametry korozyjne uywajc zalenoci (2) [6]: J J J da c J J da dc, (2) 2,303 E Ec J dc 2,303 E E 1 exp 1 1 c exp 1 ba J c bc gdzie: J gsto prdu [A/cm 2 ], J c gsto prdu korozyjnego [A/cm 2 ], J da gsto anodowego prdu granicznego [A/cm 2 ], J dc gsto katodowego prdu granicznego [A/cm 2 ], E potencja [mv], E c potencja korozyjny [mv], b a anodowy wspóczynnik Tafela [mv], b c katodowy wspóczynnik Tafela [mv]. 3. Wyniki bada dowiadczalnych Obcienia uyte podczas obróbki plastycznej próbek stalowych z naoon powok stopow Ni-5%Al spowodoway jedynie trwae odksztacenia materiau powoki. W materiale podoa nie zaobserwowano zmian struktury wiadczcych o jego plastycznym odksztaceniu (rys. 1). Badania metalograficzne wykazay równie zmniejszenie porowatoci odksztaconych plastycznie powok. Zastosowane jakociowe metody bada przyczepnoci powok nie wykazay negatywnego wpywu wykaczajcej obróbki plastycznej na ich adhezj do stalowego podoa. a) b) Rys. 1. Mikrostruktura powoki Ni-5%Al: a) po natryskiwaniu cieplnym, b) po obróbce plastycznej na zimno poprzez prasowanie Fig. 1. Cross-section of Ni-5%Al coating: a) after thermal spraying, b) after pressing 444

5 The Influence of Plastic Working on the Selection Properties of the Nickel Aluminum Alloy Coatings wspóczynnik umocnienia, UHV 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 rednica walców 150 mm, walc. na zimno rednica walców 200 mm, walc. na zimno rednica walców 150 mm, walc. na gorco prasowanie na zimno gniot wzgldny, % Rys. 2. Wpyw gniotu wzgldnego na umocnienie powoki stopowej, okrelone poprzez wspóczynnik umocnienia U HV Fig. 2. The influence of relative drafts on strain hardening (U HV ) of alloy coating Ni-5%Al Z otrzymanych wyników pomiaru twardoci zaobserwowano, e wszystkie zaproponowane metody obróbki wykaczajcej spowodoway umocnienie badanych powok (rys 2). Najwiksz warto umocnienia (U HV = 1,56) stwierdzono dla próbek poddanych prasowaniu na zimno, nacisk jednostkowy wynosi 900 MPa. Z kolei minimalna warto wspóczynnika U HV = 1,05 wystpia w przypadku przeprowadzenia procesu technologicznego na gorco przy gniocie wzgldnym Ze wzgldu na rónic potencjaów elektrochemicznych materiau powoki i podoa (stal w ogniwie galwanicznym z ze stopem Ni-5%Al jest anod) po procesie przygotowania zgadów metalograficznych nie udao si wytrawi granic krystalitów powoki. W zwizku z tym nie mona stwierdzi jednoznacznie, czy zaproponowana temperatura obróbki 950 o C, przy zadanych stopniach odksztacenia jest najodpowiedniejsza dla zajcia procesu rekrystalizacji pierwotnej stopu Ni-5%Al. a stopie umocnienia próbek walcowanych na zimno wpyna równie rednica uytych beczek. Tworzywo poddane obróbce plastycznej, w której wykorzystano walce o rednicy 200 mm, cechowao si o 10% wiksz twardoci w porównaniu do materiau odksztaconego za pomoc walców o rednicy 150 mm. Natryskiwane pomieniowo powoki stopowe charakteryzoway si silnie rozwinit powierzchni rzeczywist. Warto redniego arytmetycznego odchylenia profilu nierównoci (parametr R a wynosi okoo 13 m rys. 3). Zastosowane metody obróbki wykaczajcej powok pozwoliy na znaczne zmniejszenie wartoci rozpatrywanego parametru chropowatoci (rys. 4). Najmniejsz warto R a = 0,28 m uzyskano w przypadku powok walcowanych na gorco przy gniocie wzgldnym 9%. Natomiast proces prasowania pozwoli na uzyskanie chropowatoci powierzchni rzdu R a = 1,2 m. Stwierdzono, ze stopie odksztacenia, rednica walców jak i temperatura walcowania, wpywa na warto chropowatoci powierzchni. Wzrost wartoci gniotu wzgldnego z = 6% do 12% w przypadku walcowania na zimno spowodowa spadek wartoci wspóczynnika R a jedynie o 6%. Jednak w przypadku przeprowadzenia procesu walcowania w temperaturze 950 o C powyszy wzrost wartoci odksztacenia przyczyni si do spadku chropowatoci powierzchni o 60%. Równie rednica zastosowanych walców za pomoc, których wykonano obróbk wpywao odwrotnie proporcjonalnie na warto parametru R a obrabianej powierzchni. Powierzchnie powok obrabiane beczkami o rednicy 150 mm cechoway si 445

6 R. Starosta, R. Skoblik, T. Dyl wartoci R a = 0,52 m, z kolei powierzchnie odksztacone walcami o rednicy 200 mm charakteryzoway si wartoci R a równ 0,33 m. a) b) Rys. 3. Przykadowe profilogramy powierzchni powoki natryskiwanej pomieniowo powoki stopowej Ni-5%Al: a) przed obróbk plastyczn (Ra= 13,3 m) [7], b) po walcowaniu na gorco, odksztacenie wzgldne = 12% (Ra= 0,38 m) Fig. 3. The samples of alloy coating Ni-5%Al obtain by flame spraying surface analyses: a) before of plastic working (Ra= 13,3 m) [7], b) after hot rolling, relative drafts = 12% (Ra= 0,38 m) 1,4 1,2 1 rednica walców 150 mm, walc. na zimno rednica walców 200 mm, walc. na zimno rednica walców 150 mm, walc. na gorco - prasow. na zimno 0,8 Ra, m 0,6 0,4 0, gniot wzgldny, % Rys. 4. Wpyw gniotu wzgldnego procentowego na chropowato powierzchni powoki stopowej Ni-5%Al Fig. 4. The influence of relative drafts on alloy coating Ni-5%Al roughness 446

7 The Influence of Plastic Working on the Selection Properties of the Nickel Aluminum Alloy Coatings Obróbka wykaczajca Tab. 3. Wyniki bada korozyjnych Tab. 3. The results of corrosion measurements Odksztacenie Gsto prdu Potencja korozyjny wzgldne korozyjnego i c E c [%] [A/cm 2 ] [mv] przed prasowanie Walcowanie na zimno Walcowanie na gorco Elektrochemiczne badania korozyjne wykazay, e proponowane metody obróbki wykaczajcej, majcej na celu zmniejszenie chropowatoci natryskiwanych cieplnie powok spowodoway przesunicie wartoci potencjau korozyjnego w kierunku anodowym (tabela 3). Zastosowanie prasowania i walcowania na gorco zwikszyo szybko korozji (wiksze wartoci i c ) powok w porównaniu do powoki przed obróbk plastyczn. Przeprowadzenie procesu walcowania na zimno w trzech etapach przyczynio si do obnienia wartoci gstoci prdu korozyjnego o okoo 4%. Wzrost wartoci gstoci prdu korozyjnego oraz zmniejszenie wartoci potencjau korozyjnego prawdopodobnie zwizany jest ze zmian napre wewntrznych w badanych powokach. W przypadku powok obrabianych na gorco oprócz wzrostu wartoci napre wasnych wynikajcych z odksztacenia plastycznego doszy naprenia zwizane z rónic w rozszerzalnoci cieplnej materiau powoki i podoa oraz z przemianami fazowymi zachodzcymi w obydwóch tworzywach. Wielozabiegowy proces walcowania spowodowa prawdopodobnie najmniejszy przyrost napre wasnych, w interakcji ze znacznym, bo 25 krotnym spadkiem chropowatoci, a tym samym zmniejszenie rzeczywistej powierzchni próbek, spowodowa niewielki spadek wartoci gstoci prdu korozyjnego. 4. Wnioski Wielko gniotów wzgldnych istotnie wpywa na umocnienie i waciwoci stereometryczne powok stopowych Ni-5%Al. Po przeprowadzonych badaniach dowiadczalnych walcowania na zimno mona stwierdzi, e: dla wikszych wartoci gniotu (= 12%) nastpuje wiksze umocnienie powoki ok. 40 % (U HV = 1,4) po walcowaniu na zimno, a po prasowaniu powoka umacnia si nawet do 56 % (U HV = 1,56) ni dla gniotów wzgldnych = 9% (U HV = 1,28) i = 6% (U HV = 1,1), po walcowaniu na gorco umocnienie powoki jest mniejsze w porównaniu do obróbki plastycznej na zimno: dla = 12% wspóczynnik umocnienia wynosi U HV = 1,15 i dla = 6%, U HV = 1,05, rednie arytmetyczne odchylenia profilu nierównoci, dla powok natryskiwanych cieplnie, po walcowaniu na zimno w walcarce o rednicy walców 150 mm, uzyskay duo mniejsz chropowato (R a = 0,49 m dla = 12%, R a = 0,52 m dla = 6%), natomiast dla próbek walcowanych na zimno walcami o rednicy 200 mm, uzyskay jeszcze mniejsz chropowato (R a = 0,28 m dla = 9%, R a = 0,33 m dla = 6%), w porównaniu do profilu chropowatoci powierzchni sprzed przeróbki plastycznej R a = 13 m, dla próbek po prasowaniu chropowato powierzchni powoki jest wiksza (R a = 1,23 m) ni dla próbek poddanych walcowaniu, ale duo mniejsza ni chropowato powok po natryskiwaniu cieplnym (R a = 13 m), 447

8 R. Starosta, R. Skoblik, T. Dyl powoka poddana obróbce plastycznej na zimno uzyskaa bardziej jednorodn struktur, wyranie zostay zamknite w wikszoci pory powstae po natryskiwaniu cieplnym. Uzasadnione jest zatem zastosowanie obróbki plastycznej, jako technologii do uzyskania odpowiedniej struktury geometrycznej powok stopowych niklowo aluminiowych natryskiwanych cieplnie. Literatura 1. Adamiec, P., Dziubiski, J., Regeneracja i wytwarzanie warstw wierzchnich elementów maszyn transportowych, Wyd. Politechniki lskiej. Gliwice, Klimpel, A., Technologie napawania i natryskiwania cieplnego, Wyd. Politechniki lskiej, Gliwice, Starosta, R., Klatt, K., Ocena podatnoci technologii natryskiwania pomieniowego ROTO- TECK do nakadania powok kompozytowych Ni-Al 2 O 3, Materiay i Technologie, Roczniki Naukowe Pomorskiego Oddziau Polskiego Towarzystwa Materiaoznawczego, 2 (2), s , Specyfikacja technologiczna nakadania i obróbki powok z proszku ProXon 21021, Materiay firmy "Castolin+Eutectic", Rydz, D., Koczurkiewicz, B., Starosta, R., Dyl, T., Numeryczna analiza wpywu procesu walcowania na warto odksztace powoki Ni-5%Al, Inynieria Materiaowa Czasopismo Naukowo Techniczne, Nr 3 (151), s , Jankowski, J., Wpyw ogniwa trójelektrodowego Sn-FeSn 2 -stal na korozj blachy biaej, Rozprawa doktorska, Politechnika Gdaska, Wydzia Chemiczny, Zakad Metrologii i Jakoci. Katedra Inynierii Produkcji. Wyniki pomiarów struktury geometrycznej powierzchni, Sprawozdanie z wykonanych bada, praca nie publikowana, Koszalin,