WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK STELLITOWYCH NANOSZONYCH ELEKTROISKROWO

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 191 Norbert RADEK *, Bogdan ANTOSZEWSKI * WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK STELLITOWYCH NANOSZONYCH ELEKTROISKROWO TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF THE STELLITE ELECTRO-SPARK DEPOSITED COATINGS Słowa kluczowe: obróbka elektroiskrowa, powłoka, tribologia Key-words: electro-spark deposition, coating, tribology Streszczenie W pracy badano właściwości powłok nanoszonych elektroiskrowo. Ocenę właściwości powłok przeprowadzono na podstawie obserwacji mikrostruktury, badań odporności korozyjnej oraz pomiarów siły tarcia. Badania przeprowadzono wykorzystując stellit jako materiał powłokowy (anodę) nakładane elektroiskrowo na próbki ze stali C45 (katody). * Katedra Inżynierii Eksploatacji; Centrum Laserowych Technologii Metali; Politechnika Świętokrzyska; Aleja 1000-lecia P.P. 7; Kielce; tel. (0-41) ; tel. (0-41) ; fax. (0-41) ; norrad@tu.kielce.pl; ktrba@tu.kielce.pl

2 192 T R I B O L O G I A Do naniesienia powłok zastosowano urządzenia EIL-8A. Powłoki tego typu mogą spełniać funkcje odporności na zużycie oraz odporności na korozję. WPROWADZENIE Wśród wielu metod modyfikacji warstwy wierzchniej znaczące miejsce zajmują technologie nanoszenia powłok metalicznych o odmiennych, w stosunku do materiału podłoża właściwościach użytkowych. Jedną z nich jest metoda elektroiskrowa stosowana w różnych gałęziach przemysłu. Znalazła ona wraz z licznymi modyfikacjami trwałe miejsce w obszarze obróbek powierzchniowych. Procesy wytwarzania powłok na elementach metalowych, do których należy obróbka elektroiskrowa, związane są z transportem masy i energii oraz reakcjami: chemicznymi, elektrochemicznymi i elektrotermicznymi, które im towarzyszą [L. 1 2]. Współcześnie stosowane są różne odmiany obróbki elektroiskrowej spełniające standardy wytwarzania powłok, a także kształtowania mikrogeometrii powierzchni [L. 3 6]. Zastosowanie powłok nanoszonych metodą elektroiskrową dotyczy dwóch grup zagadnień: 1. Ochrona elementów nowych, 2. Przywracanie własności elementom zużytym. O pozycji obróbki elektroiskrowej wśród technik wywarzania warstw powierzchniowych świadczą liczne zastosowania przemysłowe (począwszy od twardych powłok na krawędziach tnących narzędzi skrawających, aż do rozwiniętych struktur na powierzchniach implantów) i nowoczesne konstrukcje urządzeń (od urządzeń ręcznych do zrobotyzowanych systemów obróbki elektroiskrowej). W samych Stanach Zjednoczonych badania nad tą technologią prowadzone są przez instytuty pracujące dla NA- SA, AIR FORCE, US NAVY [L. 7 8]. Cechą charakterystyczną powłok nanoszonych elektroiskrowo jest to, że mają one specyficzną, nietrawiącą się strukturę pozostają białe. Warstwa wierzchnia kształtowana jest w warunkach lokalnego oddziaływania wysokiej temperatury i dużych nacisków. Wartości podstawowych parametrów obróbki elektroerozyjnej są następujące [L. 9]: ciśnienie fali uderzeniowej od iskry elektrycznej wynosi (2 7) 10 3 GPa, temperatura osiąga wartości rzędu (5 40) 10 3 C.

3 T R I B O L O G I A 193 W pracy przedstawiono badania eksperymentalne powłok stellitowych naniesionych elektroiskrowo. Ocenę właściwości powłok przeprowadzono na podstawie obserwacji mikrostruktury, pomiarów mikrotwardości oraz badań tribologicznych i odporności korozyjnej. MATERIAŁY I PARAMETRY OBRÓBKI Przedmiotem badań były powłoki nakładane elektrodą stellitową o przekroju 3 x 4 mm (anoda) metodą elektroiskrową na podłoże ze stali C45 (katoda). Skład chemiczny elektrody stellitowej przedstawiono w Tabeli 1. Do nanoszenia powłok elektroiskrowych użyto urządzenie produkcji ukraińskiej, model EIL-8A. Opierając się na doświadczeniach własnych oraz zaleceniach producenta urządzenia przyjęto następujące parametry nanoszenia powłok elektroiskrowych: napięcie U = 230 V, pojemność kondensatorów C = 300 µf, natężenie prądu I = 2,1 A. Tabela 1. Skład chemiczny elektrody stellitowej Table 1. Chemical composition of stellite electrode Pierwiastki C Cr Mn Fe Co W Zawartość % 7,0 56,0 1,0 0,6 25,0 10,4 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Analiza morfologii powłok Analizę mikrostruktury powłok stellitowych przeprowadzono z użyciem elektronowego mikroskopu skaningowego Joel JSM Na fotografii (Rys. 1a) przedstawiono przykładowy widok mikrostruktury powłoki stellitowej naniesionej elektroiskrowo. W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono, że grubość uzyskanej warstwy wynosi od µm, natomiast zasięg strefy wpływu ciepła (SWC) w głąb materiału podłoża ok µm. Na przedstawionej fotografii mikrostruktury (Rys. 1a) widoczna jest wyraźna granica pomiędzy powłoką a pod-

4 194 T R I B O L O G I A łożem. Ponadto na fotografii (Rys. 1a) można zaobserwować, że powłokę cechuje duża ciągłość w grubości warstwy oraz brak porów i mikropęknięć, co może świadczyć o optymalnym doborze parametrów procesu. Analiza liniowa (Rys. 1b) powłoki stellitowej wykazała nierównomierny rozkład pierwiastków w tej powłoce. Można wyróżnić strefy, w których występują znaczne ilości W, Co oraz Cr. Ponadto przebiegi rozkładu Fe oraz Co mają typowy charakter dla połączenia dyfuzyjnego. W badanej powłoce mamy do czynienia z równomiernym rozłożeniem składników. Rys. 1. Mikrostruktura (a) i rozkład liniowy pierwiastków (b) w powłoce stellitowej nałożonej elektroiskrowo Fig. 1. Microstructure (a) and linear distribution of elements (b) in the stellite coating BADANIA ODPORNOŚCI KOROZYJNEJ Pomiary odporności korozyjnej zostały przeprowadzone za pomocą skomputeryzowanego zestawu do badań elektrochemicznych Atlas 99 firmy Atlas-Sollich. Pomiary przeprowadzono metodą potencjodynamiczną. Metoda ta należy do najbardziej rozpowszechnionych i nowoczesnych badań elektrochemicznych. Krzywe polaryzacji katodowej i anodowej wykonano polaryzując próbki z szybkością zmian potencjału wynoszącą 0,2 mv/s (w obszarze ±200 mv od potencjału korozyjnego) oraz 0,4 mv/s w obszarze wyższych potencjałów. Próbki z wyodrębnionym obszarem o średnicy 10 mm

5 T R I B O L O G I A 195 polaryzowano do potencjału 500 mv. Krzywe polaryzacji wykonano po 24 godzinach ekspozycji w testowanym roztworze (3,5% NaCl) w celu ustalenia się potencjału korozyjnego. Badania wykonano w temperaturze pokojowej 21 C ±1 C. Wykres krzywej polaryzacji powłoki stellitowej przedstawiono na Rysunku 2. Charakterystyczne wartości elektrochemiczne badanych materiałów przedstawiono w Tabeli 2. Tabela 2. Wartości gęstości prądu i potencjału korozyjnego badanych próbek Table 2. Current density and corrosion potential of the materials tested Badany materiał Gęstość prądu korozyjnego I k [µa/cm 2 ] Potencjał korozyjny E KOR [mv] C ± 17,8% -458 C45/stellit 12,7 ± 5,4% Gęstość prądu, µa/cm Potencjał, mv Rys. 2. Krzywa polaryzacji powłoki stellitowej Fig. 2. Curves of the satellite coating polarization Gęstość prądu korozyjnego powłoki stellitowej wyniosła I k = = 12,7 µa/cm 2, zaś materiału podłoża (stal C45) I k = 112 µa/cm 2. Powłoka tego typu spowodowała wzrost odporności korozyjnej około 9 razy większy w stosunku do materiału wyjściowego. Ma to związek z dużą zawartością chromu (56%) w elektrodzie stellitowej oraz brakiem mikropęknięć i porów w powłoce stellitowej.

6 196 T R I B O L O G I A BADANIA TRIBOLOGICZNE Badania oporów tarcia (tarcie technicznie suche) przeprowadzono na testerze tribologicznym T-01M typu trzpień-tarcza. Jako próbki stosowano pierścienie ze stali węglowej wyższej jakości C45, na które naniesiono elektroiskrowo powłoki stellitowe. Przeciwpróbką była kulka o średnicy φ4 mm wykonana ze stali 100Cr6. Badania na testerze przeprowadzono przy następujących parametrach tarcia: prędkość liniowa V = 1 m/s, czas próby t = 3600 s, zakres zmian obciążenia Q = 4,9 N; 9,8 N; 14,7 N. Na przykładowym wykresie (Rys. 3) przedstawiony jest przebieg siły tarcia w funkcji czasu próby przy obciążeniu 9,8 N. Podczas tarcia technicznie suchego badanych powłok nastąpiło przekształcenie technologicznej warstwy powierzchniowej (TWP) w eksploatacyjną warstwę powierzchniową (EWP). Efekt ten nastąpił głównie na skutek nacisków i prędkości ślizgania oraz oddziaływania atmosfery otoczenia bliskiego z badaną powierzchnią. Obserwowano stabilizację stanu przeciwzużyciowej warstwy powierzchniowej (PWP). Na przebiegu (Rys. 3) można zaobserwować, że stabilizacja siły tarcia następuje po upływie 500 sekund, a wartość jej oscyluje na poziomie 7,1 7,2 N. Średnie wartości sił tarcia przedstawiono na wykresie (Rys. 4) Siła tarcia, N stellit - Q = 9,8 N Czas, s Rys. 3. Wykres zmian siły tarcia w funkcji czasu Fig. 3. The diagram of friction force shifts in function time

7 T R I B O L O G I A 197 Średnia wartość siły tarcia, N ,65 6, ,9 9,8 14,7 Obciążenie, N Rys. 4. Średnie wartości sił tarcia Fig. 4. The average values of friction forces POMIARY MIKROTWARDOŚCI Pomiary mikrotwardości wykonano metodą Vickersa, stosując obciążenie 40 G. Odciski penetratorem wykonano na zgładach prostopadłych w trzech strefach: w powłoce (warstwie białej), w strefie wpływu ciepła (SWC) oraz w materiale rodzimym. Wyniki pomiarów mikrotwardości dla powłok stellitowych naniesionych obróbką elektroiskrową przedstawiono na wykresie (Rys. 5) Mikrotwardość HV0, C45/stellit 0 powłoka SWC podłoże Rys. 5. Wyniki pomiarów mikrotwardości powłoki stellitowej Fig. 5. Results of the microhardness tests for the satellite coating Zastosowanie obróbki elektroiskrowej spowodowało zmiany mikrotwardości w obrabianym materiale. Mikrotwardość materiału podłoża po obróbce elektroiskrowej wynosiła średnio około 178 HV 0,04 (taka samą

8 198 T R I B O L O G I A wartość mikrotwardości miał materiał w stanie wyjściowym). Przy nakładaniu metodą elektroiskrową powłok stellitowych uzyskano znaczny wzrost mikrotwardości nałożonej warstwy w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża. Powłoka stellitowa miała średnią mikrotwardość 492 HV 0,04 (nastąpił wzrost mikrotwardości średnio o 176% w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża). Mikrotwardość SWC po obróbce elektroiskrowej wzrosła o około 60% w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski: Proces tworzenia technologicznych warstw powierzchniowych metodą obróbki elektroiskrowej związany jest z transferem masy i energii oraz zjawiskiem powstania plazmy niskotemperaturowej. W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono, że grubość uzyskanych warstw wyniosła około µm, natomiast zasięg strefy wpływu ciepła w głąb materiału podłoża wyniósł ok µm. Powłoki stellitowe charakteryzuje 9 razy większa odporność korozyjna w stosunku do stali C45. Podczas badań tribologicznych zaobserwowano, że średnie wartości sił tarcia wzrastają proporcjonalnie do obciążenia. Mikrotwardość powłok stellitowych jest prawie 3 razy większa w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża. Na dalszym etapie należy wykonać badania składu fazowego oraz porowatości powłok stellitowych nakładanych elektroiskrowo. LITERATURA 1. Galinov I.V., Luban R.B.: Mass transfer trends during electrospark alloying. Surface & Coatings Technology, 1996, 79, Ozimina D., Scholl H., Styp-Rekowski M.: Model formowania przeciwzużyciowych warstw wierzchnich za pomocą obróbki elektroiskrowej. Wybrane zagadnienia obróbek skoncentrowana energią, monografia, rozdział II, Bydgoszcz, 2003,

9 T R I B O L O G I A Radek N., Wajs E., Luchka M.: The WC-Co electrospark alloying coatings modified by laser treatment. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2008, 47 (3 4), Radek N.: Experimental investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electrospark coatings modyfied by laser beam. Advances in Manufacturing Science and Technology, 2008, 32 (2), Radek N., Antoszewski B.: Laser treatment of electro-spark deposited coatings. Materials Engineering, 2005, 12 (4), Radek N.: Obróbka elektroiskrowa urządzenia i zastosowania przemysłowe. Mechanik, 2008, 7, U.S. Patent No Method for joining single crystal turbine blade halves Miernikiewicz A.: Doświadczalno-teoretyczne podstawy obróbki elektroerozyjnej (EDM). Politechnika Krakowska Rozprawy 2000, 274, Kraków, 189. Recenzent: Wiesław ZWIERZYCKI Summary Depositing protective layers on metal surfaces frequently involves matter and energy transfer, which is accompanied by various chemical, electrochemical and electrothermal reactions. To determine the operational properties of a surface layer, it is necessary to analyse the original, technological properties of the material, the deposition method, and, particularly, the mechanism of energy accumulation inside and outside the workpiece. By controlling polarity, it is possible to remove or replace material. The process of material growth resulting from electroerosion is known as electro-spark alloying (ESA) or electro-spark deposition (ESD). The erosion of the anode and the spark discharges between the electrodes result in the formation of a surface layer with properties different from those of the base material. The paper is concerned with determining the properties of electro-spark coatings. The properties were assessed by analysing microstructure, measuring the microhardness, friction force and corrosion

10 200 T R I B O L O G I A resistance. The tests were carried out on a stellite coating (the anode) obtained by electro-spark deposition over carbon steel C45 (the cathode). The coatings were deposited by means of an EIL-8A. The electro-spark deposited coatings are likely to be applied to increase wear resistance and corrosion resistance.