Knepni~e Metali i Stopów, Nr 27, 1996 PAN- Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 27/30 Soiditication ofmetas and Aoys, No Knepnie Metai i Stopów, Nr 27, 1996 PAN- Oddział Katowice PL ISSN WPLYW STOPOWANIA LASEROWEGO I NAPAWANIA METODĄ TIG NA ŻAROODPORNOŚĆ STALI 50H21G9N4 PATEJUK Aeksy, NAPADLEK Wojciech, PRZETAKIEWICZ Wojciech Wojskowa Akademia Techrńczna, Warszawa,ui.Kaiskiego 2 Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań stai austenitycznej 50H21 G9N4 stopowanej aserowo oraz napawanej łukowo metodą TIG proszkami na bazie niku, auminium, kobatu i chromu w ceu podwyższenia jej żaroodporności, odporności na korozję oraz odporności na zużycie w waruokach tarcia suchego. Omówiono procedurę oraz wyniki badań żaroodporności badanego materiału modyfikowanego aserowo oraz metodą TIG. W rezutacie przeprowadzonych badań aboratoryjnych nie stwierdzono poprawy żaroodporności da warstw uzyskanych po przetapianiu proszków na bazie chromu i kobatu, a wręcz znaczne pogorszenie tych właściwości w przypadku modyfikacji proszkiem na bazie niku i auminium. Przeprowadzone badania trwałościowe w rzeczywistych waruokach pracy na hamowni sinikowej zweryfikowały wyniki badań aboratoryjnych. Stopowanie aserowe przygni zaworów wyoto-wych proszkiem chromu oraz proszkiem na bazie kobatu podwyższyło żaroodporność i odporność na działanie środowiska spain, a tym samym zwiększyła się szczeność przygni zaworów wyotowych. Potwierdziła to próba szczeności po badaniach trwałośc iowych.. Wstęp Dynamiczny rozwój przemysłu. jest efektem wdrażania coraz to nowych techrńk wytwarzania, zwłaszcza w przemy śe otniczym, maszynowym, motoryzacyjnym i innych. Z każdym rokiem wzrasta zapotrzebowanie na materiały charakteryzujące się dużą trwałością, wytrzymałością zmęczeniową, odpornością na ścieranie i korozję. Potrzeby w tym zakresie można pokryć przede wszystkim przez tworzenie nowych stopów ub odpowiednie kształtowanie warstwy wierzchrńej (y{w) materiałów już istniejących. Niestety, projektowanie nowych stopów jest często związane z użyciem pierwiastków deficytowych i przez to drogich, natomiast wiee spośród dotychczas stosowanych metod wytwarzania WW charakteryzuje się dużą energochłonnością []. Technoogie modyfikacji warstwy wierzchrńej służące poepszeniu właściwości triboogicznych, są obiektem zainteresowań wieu naukowców. Niektóre z metod w,ykorzystujące wysoko wydajne źródła mocy, jak np.: aser ub strumień eektronów, zostały rozwinięte we

2 208 wczesnych Jatach osiemdziesiątych. Rozpoczęto wówczas stosować w praktyce między innymi asery dużych mocy. Do tego rodzaju technoogii dużych mocy zaiczyć można przetapianie (meing), paterowanie (cadding) i stopowanie (aoying) warstwy wierzchniej. W ceu uzyskania grubych warstw preferowane są metody stopowania [2]. Przewiduje się szczegónie intensywny rozwój różnych technik natapiania, nadtapiania i stopowania, uwzg ędniając fakt, iż właściwości uzyskanych w ten sposób warstw ub powłok mogą być w różnych kierunkach modyfikowane przez dodatkową impantację jonów, praktycznie dowonych pierwiastków [3]. Istnieje w tym zakresie ogromna różnorodność możiwości zastosowań materiałów powłokowych, od stai kwaso- i żaroodpornych do trudnotopiwych metai i ich stopów, a także cermetai. Znajdują one zastosowanie, zwłaszcza w przypadku ekstremanic trudnych warunków pracy, takich jak duże obciążenia, wysoka temperatura, narażenia korozyjne i triboogiczne [4]. Ceem niniejszej pracy była ocena żaroodporności WW stai zaworowej 50H21 G9N4 poddanej uprzednio obróbce powierzchniowej dwoma metodami: stopowaniu aserowemu i napawaniu łukowemu metodą TIG. 2. Metodyka badań Proces stopowania aserowego przygni zaworów za stai 50H2JG9N4 przeprowadzono przy użyciu asera technoogicznego C0 2 o dział a niu ciągłym (firmy PHOTON SOURCES) typu YFA 2500 o mocy znamionowej 2,5 kw. Do stopowania użyto proszku na bazie kobatu PMCo, proszku nikeauminiowego NiA 70/30 oraz proszku chromu [4]. Natryskanie przeprowadzono za pomocą pazmotronu Pancer PN-200, przy natężeniu prądu 400A. Granuacja użytych proszków wynosiła f.jm.. Napawania TIG dokonano za pomocą zestawu do napawania w osłonie argonu typu FT- 500, według metodyki podanej w pracy (4]. Schemat stanowiska do napawania TIG, z wykorzystaniem jako materiału dodatkowego proszku metaicznego przedstawia, rysunek. { Rys.. Schemat stanowiska do napawania TIG przygni zaworów: - zestaw spawaniczy FTI - 500, 2- podajnik proszku, 3- manipuator spawaniczy OM7-10, 4- głowica spawanicza, S - napawany zawór.

3 209 Podczas napawania stosowano prędkość obrotową manipuatora w zakresie od 3 do O obr/min. Podyktowane to było potrzebą uzyskania równomiernego i pełnego przetopu na całej powierzchni przygni. Badania żaroodpornośc i wykonano na próbkach, wyciętych z zaworów, o kształcie prostopadłościanu i wymiarach 20x20x5. Powierzchnię próbek szifowano. Da każdego z badanych wariantów obróbki wykonano po trzy próbki, które poddano wygrzewaniu w temperaturze 1150±10 K. Wygrzewanie prowadzono cykicznie, dokonując oceny stanu materiału i pomiaru masy próbek co 2+4 godz. w pierwszym okresie (do 15 godzin) wygrzewania i co godz. przy daszym wygrzewaniu. Wygrzewanie prowadzono w oporowym piecu eektrycznym. Próbki były umieszczone w specjanym przyrządzie tak, aby powierzchnia styku z ma t eriałem podłoża była jak najmniejsza (oparcie na jednej z krawędzi próbki). Da wykonania pomiarów próbki chłodzono w powietrzu, po czym ważono na wadze anaitycznej z dokładnością do o- 4 g. Całkowity jednorazowy pobyt próbek poza piecem nie przekraczał 45 min. Stopień żaroodporności okreśano zgodnie z PN-63/M według zaeżności : gdzie: dm; -jednostkowa zmiana masy ( g!m 2 ]; mg; - masa próbki w danej godzinie wygrzewania; m., - masa początkowa próbki; L - powierzchnia całkowita próbki. Da k ażdego wariantu WW wyznaczono średnią wartość stopnia żaroodporności. Przeprowadzono także jakościową ocenę przyczepności i zwartości warstw tenkowych poprzez szczotkowanie mechaniczne. 3. Wyniki badań i ich anaiza Na podstawie anaizy iteratury dotyczącej żaroodporności stopów można wnioskować, iż w zaeżności od rodzaju materiału, jego zachowanie w wysokiej temperaturze może być różne. Najczęściej obserwuje się przyrost masy próbki, wywołany tworzeniem się i narastaniem warstwy tenków na jej powierzchni. Przyrost ten może mieć charakter iniowy, a także paraboiczny ub wykładniczy Czasem obserwuje się również ubytek masy próbek, spowodowany odpryskiwaniem tworzących się tenków uwarunkowany niedostateczną żaroodpornością. Za najbardziej korzystne uznawane jest takie zachowanie materiału, który charakteryzuje się w początkowym okresie uteniania intensywnym narastaniem warstwy tenków na jego powierzchni, a następnie ustabiizowaniem procesu, czego oznaką jest dążenie przyrostu masy próbek do zera. Podczas badań zaobserwowano zróżnicowane zachowanie się WW stai 50H2 1 G9N4 w trakcie procesu uteniania. Da stai napawanej metodą TIG otrzymane wyniki zamieszczono w tabei oraz na rys. 2 i 3. Da próbek w stanie wyjściowym oraz napawanych proszkami PMCo- 55 i NiAI 70/30, uzyskano przyrosty masy, natomiast da napawanych proszkiem Cr zaobserwowano w początkowym okresie (około 15 godz.) nieznaczny pryrost, a następnie ubytek masy dochodzący do 20 g/m 2 po 180 godz. uteniania. Zdecydowanie najepszą żaroodpornością charakteryzuje się sta 50H21 G9N4 w stanie wyjściowym. Materiał ten wykazuje najmniejszy przyrost masy w całym okresie wygrzewania. Również ocena przyczepności warstw tenkowych wykazała najmniejszy ubytek masy materiału w wyniku uteniania. Modyfikowanie warstwy wierzchniej tej stai z użyciem proszku PMCo-55 spowodowało nieznacznie większy przyrost masy tenków (rys. 2).

4 s 60 CIS = CIS 40 CIS 20 o 1S i.,... o , -- - r - - 1"- --,- - - r- -, -- -,- - - r - - -, r -, r--.,- - - r- -T r ---Stan wyjściowy - -, -- --,-- Po mpawaniu Cr -!r- -Po mpawaniu PMCo r r--, r-- --, - --,- - -r - -,---r-- r ---,- - r,- - -, ,- -- r-- -,- --c ,--- r-- -,-- -,-- -T-- -,--- i t t _r._ł L J L J L J - r _ ł! -ts-+- r-h"":- -t - -:- bo--;- - : L L L L - -J o Czas wygnewania [h] Rys. 2. Jednostkowa zmiana masy stai 50H21G9N4 napawanej TIG proszkami stopowymi Po napawaniu proszkiem NiAI 70/30 uzyskano znaczne pogorszenie żaroodporności. Da tego wariantu obróbki zarejestrowano intensywny przyrost masy próbek w całym okresie uteniania dochodzący do O g/m 2 po 180 godz. trwania procesu. Przeprowadzone po badaniach zasadniczych szczotkowanie mechaniczne spowodowało znaczny ubytek masy, co świadczy o bardzo słabej przycz e pności warstw tenkowych do podłoża i potwierdza niekorzystny wpływ stopowania proszkiem NiAJ na właściwości stai 50H21G9N4. Charakter jednostkowej zmiany masy da próbek stai SOH2 G9N4 stopowanej aserowo, przedstawiony w tabei 2 oraz na rys. 3 i 4, jest nieco inny, niż w przypadku napawania metodą TIG. Da stai w stanie wyj śc iowym najmniejszą zmianę masy, natomiast w przypadku stopowania proszkiem na bazie Cr uzyskano największy jej ubytek, dochodzący do 32 g/m 2 Po usunięciu warstwy tenków (rys. 3), najmniejszy ubytek masy zarejestrowano da stai w stanie wyjściowym, natomiast dobrą przyczepność warstwy tenków, objawi ającą się znacznym spadkiem masy po szczotkowaniu, zaobserwowano da próbek stopowanych proszkiem na bazie Co. Podsumowując naeży stwierdzi ć, iż modyfikowanie stai 50H2 G9N4 proszkami stopowymi nie poprawia żaroodporności tej stai w przyjętych warunkach badań. Za zadowaające na eźy uzna ć wyniki badań żaroodporności próbek stopowanych aserowo oraz napawanych łukowo metodą TIG przy użyciu proszkupmco-55.

5 "n..., Czas Stan wyjściowy N a!awana Cr Napawana NiAI 70/30 [h) Nr serii Nr serii Nr serii 2 3 średnio 2 3 średnio ,04 1,73 0,48-0, ,65 - O 2,11 4,19 4,13 6 1,27-1,91 1,30 o 22-2,56 17,05-8 O 2,16 20, ,26-0,69 0,95 1,50-3,90 15, O -5,40 1, ,70 15, ,94 0,26-0,09 1,70-5,08 7,70-7,93-1,77 31,19 13,52 44, ,85 0,69-0,78 1,59-6,68-5,11-10,03-7,05 41,25 19,69 71, ,98 1,39-2,33 2,01-12,81-10,39-12,48-9,82 44,89 22,94 85, ,24 2,17-2,76 2,21-13,65-14,19-13, 15 -i 62 50,63 30, , , 14-14,67-13,70 61,20 37,66 117, , , II 66 O 40, ,60. 4,43-7,86 1,72-16,75-23,80-17, , ,97 5,21-8,64 2,18-18,35-24, , ,7 Napawana PMCo-55 Nr serii średnio 2 3 3,48 1,25 o 67 0,84 11, 13 2,08 1, ,31 2, ,43 29,60 3,25 3,54 4,44 44,04 3,83 3,96 5,78 51, ,22 7,04 61,25 8, , , ,90 7, ,39 8,26 O 72 Tabea średnio 0, , , O N

6 212, : a), , r---- t :b) -, ""i , o _. _" :._ - - Napawana TIG : :,-"- z i 8 3 i o t ;;: 7. a i 8 i: o 1: $ z 8 Rys. 3. Zmiany masy próbek stai 50H21G9N4 po usunięciu warstwy tenków Tabea 2 Wyniki badań kinetyki uteniania stai 50H2JG9N4 w temperaurze J73K po stopowaniu a serowvm Czas Stan Stooowana aserowo [h wyjściowy Cr NiAI 70/30 PMCo ,29-8,77 3,98 5, ,75-16,56 1,55 8, ,18-20,65-2,45 17, ,50-23,21-3,25 17, ,98-26,32-3,19 17,48 is 1,54-28,08-5,20 17, ,65-29,28-8,75 18, ,71-30,51-13,00 18, ,22-31,94-18,52 18,88

7 213 1i... >. E " d " e N C Q..:0: 1i Q d O o r r r r , Stan wyjściowy - o - Stopowana aserowo Cr , *- Stopowana aserowo NiAI 70/30., Stopowana aserowo PMCo L L------L :,., t- : t "tt : : - - -c-...: : : : : : - -c o : _, o Czas wygrzewania [h] Rys. 4. Jednostkowa zmiana masy stai 50H21G9N4 stopowanej aserowo proszkami stopowymi 4. Wyniki badań stanowiskowych Zawory wyotowe i wotowe po stopowaniu aserowym i obróbce mechanicznej zamontowano do sinika o ZS, na którym przeprowadzono hamownianą próbę trwałośc i. Czas próby wynosił- zgodnie z normą branżową FSC STAR SA godzin. Badania zaworów (szczegónie ich przygni) po próbie trwałościowej, dowiodły pozytywnych efektów stopowania aserowego (rys.5). Szczegónie dotyczy to zaworów wotowych stopowanych przy użyciu proszków Cr i Co, na przygni których nie stwierdzono wżerów korozyjnych i erozyjnych. Stopowanie aserowe przygni zaworów wyotowych proszkiem chromu (rys.5c) podwyższyło żaroodporność i odporność na dz iałani e środowiska spain, a tym samym zwiększyła się szczeność przygni tych zaworów. Potwierdziła to próba szczeności po badaniach trwałości owych.

8 214 a) b) c) Rys. 5. Przygnie zaworów wyotowych po trwałościowej próbie hamownianej ( 450h); a- zawór produkcyjny, b- zawór stopowany aserowo proszkiem na bazie Ni-A.; c- zawór stopowany aserowo proszkiem chromu.

9 5. Wnioski 215 Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski : Modyfikowanie stai 50H21G9N4 przez stopowanie aserowe oraz napawanie łukowe metodą TIG proszkami stopowymi Cr oraz NiA 70/30 daje gorsze rezutaty w stosunku do właściwości badanej stai w stanie wyjściowym (nie stopowanej). 2. Za zadawaające naeży uznać wyniki badań żaroodporności próbek stopowanych aserowo oraz napawanych łukowo metodą TIG przy użyciu proszku PMCo Badania zaworów sinika 359 po próbie trwałościowej na hamowni, dowiodły pozytywnych efektów stopowania aserowego proszkami na bazie Co i Cr przygni zaworów wyotowych, na których nie stwierdzono wżerów korozyjnych i erozyjnych, dzięki czemu ich szczeność była n aj większa. 6. Literatura [] Burakowski T.: Tendencje rozwoju nowoczesnej obróbki ciepnej. MOCIP. 85 (1987). [2) Yano A., Kagimoto Y., Saki K. : Boundary ubrication properties ofsurface modified materia produced by aser and ecetron beam surface aoying.triboogy Transactions, vo. 36 (1993). [3) Burakowski T. : Tendencje rozwojowe antykorozyjnych warstw powierzchniowych. MOCIP (1992) [4) Napadłek W, Patejuk A, Przetakiewicz W.: Wpływ stopowania aserowego i napawania metodą TIG na mikrostruktukturę stai 50H21 G9N4. (mat. konf) Rzeszów-Soina, 1996.