WIELOSKŁADNIKOWE POWŁOKI OCHRONNE NA STALIWIE ŻAROWYTRZYMAŁYM OTRZYMYWANE METODĄ PASTY

Transkrypt

1 25/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WIELOSKŁADNIKOWE POWŁOKI OCHRONNE NA STALIWIE ŻAROWYTRZYMAŁYM OTRZYMYWANE METODĄ PASTY J. KUBICKI 1, A. KOCHMAŃSKA 2 Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Szczecińska, Szczecin, Al. Piastów 17 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki prób wytwarzania powłok Al-Cu-Si-Fe nakładanych (metodą pasty) na staliwo żarowytrzymałe LOH17N36S. Jako zmienne parametry procesu wybrano: czas wygrzewania, ilość topnika i lepiszcza. Uzyskane powłoki poddano badaniom strukturalnym. Dzięki obliczeniom statystycznym otrzymano zależności opisujące wpływ przyjętych parametrów na grubość poszczególnych stref w powłokach. Key words: protective coatings, high temperature corrosion, alloy cast steel. 1. WPROWADZENIE W Odlewni Doświadczalnej Politechniki Szczecińskiej zajmowano się otrzymywaniem powłok ochronnych zabezpieczających żarowytrzymałe staliwo austenityczne przed korozją wysokotemperaturową. We wcześniejszych publikacjach przedstawiono rezultaty uzyskane przy zastosowaniu metody nasycania dyfuzyjnego w mieszaninach proszków i metodą odlewniczą [1]. Zainteresowano się również metodą pasty [2], która okazała się wygodniejsza i mniej szkodliwą od sposobów klasycznych. Metoda polega na nakładaniu na powierzchnię przedmiotu metalowego mieszaniny o konsystencji pasty składającej się z: sproszkowanych metali lub stopów, spoiwa i topników. Po wysuszeniu przedmiot, pokryty mieszaniną, wygrzewa się w piecu przez odpowiednio dobrany czas. Nasycanie w paście umożliwia nanoszenie dobrych 1 dr hab. inż., prof. nzw., odlew@safona.tuniv.szczecin.pl 2 mgr inż., agrava@idea.net.pl

2 jakościowo i równomiernych pokryć na wyroby o dużej powierzchni i złożonej konfiguracji. 2. MATERIAŁ I WYNIKI BADAŃ W oparciu o badania P. Christodulu [3] przyjęto, że podstawowymi materiałami do sporządzania past będą następujące proszki metali (%wag.): - Al o ziarnistości 0,0-0,15 mm w ilości 45% - Fe-Si (75% Si) o ziarnistości 0,0-0,40 mm w ilości 45% - Cu o ziarnistości 0,0-0,16 mm w ilości 10%. Natomiast na podstawie badań prowadzonych w Instytucie Odlewnictwa Politechniki Śląskiej [4] zastosowano: dwa rodzaje lepiszcza 1) 6% klej skrobiowy, 2) wodny roztwór (1:1) szkła wodnego o module m K =3 oraz topnik - stopioną (w 600ºC) mieszaninę soli o składzie (%wag.): 45% NaCl + 45% KCl + 10% NaF. W niniejszej pracy postanowiono zmieniać trzy parametry procesu: czas wygrzewania, ilość topnika i zawartość lepiszcza. Stałe i zmienne parametry zestawiono w tablicy 1. Tablica 1. Parametry procesu otrzymywania powłok. Table 1. Process parameters. Parametry stałe Poziom Temperatura procesu 900ºC Skład części metalicznej 45% Al + 45% FeSi + 10% Cu Gęstość pokrycia 0,5 g/cm 2 Czas nagrzewania pieca 1 h Czas chłodzenia pieca 5 h Parametry zmienne Zakres zmian Rodzaj lepiszcza wodny roztwór szkła wodnego; 6% klej skrobiowy Czas (wygrzewania) procesu (X 3 ) 2,5-9,5 h Ilość lepiszcza 1) (X 2 ) 31,6 38,4 % Ilość topnika 1) (X 1 ) 1 11 % 1) w stosunku do części metalicznej. Opracowano trójparametryczny, rotatabilny z dwoma punktami gwiezdnymi plan badań [5]. Wyznaczono skład poszczególnych mieszanin oraz czas wygrzewania. Przygotowano według planu 2 partie po 20 przeszlifowanych próbek ze staliwa L0H17N36S o wymiarach 25x12x5 mm. Na ich powierzchnię nanoszono poszczególne mieszaniny. Próbki suszono w strumieniu ciepłego powietrza, a następnie nagrzewano z piecem (w atmosferze powietrza) do 900ºC i wytrzymywano w tej temperaturze przez określony czas (wynikający z planu badań) po czym studzono. Do oceny jakości warstw wykorzystano następujące badania: - analizę metalograficzną - zgłady prostopadłe trawiono w temperaturze pokojowej odczynnikiem Mi19Fe,

3 - rentgenowską analizę fazową na dyfraktometrze D/max-rA firmy Rigaku, stosując promieniowanie Co Kα filtrowane Fe, - pomiar mikrotwardości wg PN-79/H mikrotwardościomierzem PMT-3 przy obciążeniu 20 i 100 G w czasie 15 s, Obserwacja mikroskopowa wykazała, że otrzymane powłoki nie różnią się zbytnio między sobą. Typowa powłoka składa się z trzech stref: strefy zewnętrznej (3), strefy środkowej (2) i jasnej cienkiej strefy wewnętrznej (1). Mikrostrukturę typowej powłoki przedstawiono na rysunku 1a. W przypadku próbek o dłuższych czasach wygrzewania, zaobserwowano zanik strefy 3 i rozrost stref 2 i 1. W próbkach o krótkim czasie wygrzewania, bądź pokrytych pastą z dużą zawartością topnika, w strefie 3 występowały w dużej ilości ciemne wydzielenia, typowe dla tej strefy. W kilku przypadkach wystąpiły wyraźne miejscowe zgrubienia powłoki w kształcie spłaszczonych soczewek, wewnątrz których występowały pęknięcia. Grubość warstw uzyskanych przy użyciu szkła wodnego wynosiła od 25,6 do 78,5 μm, z klejem skrobiowym od 20,3 do 78,3 μm. Są one cieńsze niż otrzymane na drodze nasycania w mieszaninach proszków [3]. Analiza metalograficzna powłok uzyskanych z zastosowaniem kleju skrobiowego wykazała znaczną ilość wad (pęcherze, pęknięcia, wtrącenia niemetaliczne, itp.) dlatego uzyskane rezultaty z tej serii nie były brane pod uwagę w dalszych analizach. Jednocześnie z tych samych powodów usunięto dwie próbki z serii ze szkłem wodnym pozostawiając do dalszych obliczeń wyniki uzyskane z 18-tu pozostałych próbek. a) b) Strefa 2 Strefa 3 Strefa 2 Strefa 1 Strefa 1 Podłoże Podłoże Rys. 1. Mikrostruktura powłoki: a) Al-Fe-Si-Cu, pow. x160, b) Al-Si, pow. x350 [3]. Fig. 1. Microstructure of: a)al-fe-si-cu coating, mag. x160, b) Al-Si coating, mag. x350 [3]. Dodatkowo oceniono ciągłość powłok. Za miernik przyjęto liczbę przerw ciągłości strefy środkowej, zliczaną na odcinku 5 mm przy powiększeniu 500 x. Średnia liczba nieciągłości dla serii ze szkłem wodnym wyniosła 4,1, a z klejem skrobiowym - 8,8.

4 a b c Rys. 2. Mikrostruktura poszczególnych stref powłoki Al-Fe-Si-Cu, pow. x 625: a) strefa 3, b) strefa 2, c) strefa 1. Fig. 2. Microstructure of Al-Fe-Si-Cu coating s zones, mag. x 625: a) zone 3, b) zone 2, c) zone 1. Nierównomierna grubość stref uniemożliwiła dokładne zbadanie ich składu fazowego, stwierdzono jedynie występowanie następujących faz w całej objętości powłoki: (Fe,Ni)Al 3, (Fe,Ni) 2 Al 5, (Fe,Ni) 2 Al 3, (Fe,Ni)Al, (Fe,Ni) 3 Al, roztwór CuNi i Fe α, a także występowanie, głównie w zewnętrznej strefie warstwy Al 2 O 3, CrSi i CrSi 2, natomiast w strefie wewnętrznej Cu 4 Si. Fazy o dużej zawartości Al występują głównie w strefach przypowierzchniowych i stężenie ich maleje w kierunku podłoża, natomiast wzrasta udział faz niżej aluminiowych. Dokonano także pomiarów mikrotwardości poszczególnych stref. Twardość HV dla strefy 1, 3 i podłoża mierzono pod obciążeniem 20 G: 1) strefa ± 9, 2) strefa ± 10, 3) podłoże ± 9. Twardość strefy 2 z uwagi na jej znaczną grubość mierzono przy obciążeniu 100G. Wynosi ona 872 ± 19 dla czasu nasycania 2,5 h i maleje wraz z wydłużeniem czasu procesu do 623 ± 7 dla 9,5 h. Stwierdzono także znaczną kruchość strefy 3, która pękała nawet pod obciążeniem 20 G. Zależność pomiędzy całkowitą grubością powłok (Y Σ ) oraz grubościami poszczególnych stref (odpowiednio Y 1, Y 2, Y 3 ) a zmiennymi parametrami procesu wytwarzania opisano funkcjami regresji drugiego rodzaju wyznaczonymi metodą standardową. Zmienne X 1 X 2 (tablica 1) występują w postaci standaryzowanej, a parametry R, R 2 i F opisują otrzymane zależności (R - współczynnik korelacji wielowymiarowej, R 2 - współczynnik determinacji liniowej opisujący dopasowanie wartości do otrzymanych zależności, a F - wartość testu Snedecora). 1. Całkowita grubość powłoki (R = 0,92, R 2 = 0,85, F = 5,33): Y Σ = 53, ,89X 3 +5,83X ,54X 3 (1) 2. Grubość strefy 1 (R = 0,95, R 2 = 0,92, F = 10,27): 2 Y 1 = 7,14 + 2,22X 3 0,609X 2 (2) 3. Grubość strefy 2 (R = 0,95, R 2 = 0,91, F = 9,95): Y 2 = 35,90 7,90X ,26X 3 9,66X ,39X 1 X 2 (3) 4. Dla zależności opisującej grubość strefy 3 wszystkie współczynniki okazały się nieistotne. Na rysunku 3 pokazano graficznie postacie prezentowanych zależności sporządzane dla rzeczywistych wartości zmiennych X.

5 a) b) c) d) Rys. 3. Wykresy obrazujące: a) zależność (1), b) zależność (2), c) zależność (3) dla X 2 =31,6, d) zależność (3) dla X 2 =38,4. Fig. 3. Diagrams illustrating: a) relationship (1), b) relationship (2), c) relationship (3) for X 2 =31,6, d) relationship (3) for X 2 =38,4. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW Analizując parametry wytwarzania powłok usuniętych z doświadczenia stwierdzono, że otrzymano je dla bardzo małych wartości X 3, czyli warunków, w których powłoka nie zdążyła się uformować. Typowa struktura powłok otrzymanych dla krótkich czasów procesu składa się z trzech stref (rys. 1a), przy czym skład fazowy stref 2 i 3 nie różni się zbytnio. Dla długich czasów wygrzewania obraz struktury

6 upodabnia się do morfologii powłok uzyskanych przez nasycanie w proszkach (rys. 1b) [3]. Z porównania składu fazowego otrzymanych powłok i wytworzonych w mieszaninie proszków [3], wynika, że w skład powłok analizowanych wchodzą fazy o wyższym stężeniu aluminium. Zakładając, że o właściwościach ochronnych decydować będzie grubość strefy 1 i 2, na podstawie rysunków 3a, 3b, 3c można stwierdzić, że zmienne parametry procesu powinny wynosić: czas procesu (X 3 ) godz., ilość lepiszcza (X 2 ) ok.35%, ilość topnika (X 1 ) ok. 1%. 4. WNIOSKI 1. Skład fazowy badanych powłok wskazuje na ich potencjalną zdolność do blokowania dyfuzji węgla z otoczenia (obecność faz wysokoaluminiowych typu Ni 2 Al 5, Ni 2 Al 3 i NiAl). 2. Grubość powłok zależy głównie od czasu procesu. 3. Stosując odpowiednie parametry można otrzymać powłokę o korzystnej budowie, np. pasta na bazie szkła wodnego przy następujących parametrach: czas wygrzewania 7,6 h, ilość topnika ok. 1%, ilość lepiszcza ok. 35%. LITERATURA [1] Kubicki J.: Odlewnicze powłoki ochronne Al-Cu na staliwie żarowytrzymałym. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej Nr 529, Wyd. Pol. Szczec. (1996) [2] Kubicki J., Garbiak M.: Wpływ wybranych parametrów technologicznych na strukturę powłoki Al-Si-Fe-Cu otrzymanej metodą pasty. Mat. VI Ogóln. Pol. Konf.: Tendencje rozwojowe w technologii maszyn. PAN Oddz. Poznań, WSI Zielona Góra (1990), Sekcja III, s [3] Christodulu P.: Praca doktorska, Politechnika Szczecińska, Szczecin (1984). [4] Sakwa W. i inni: Sprawozdanie Instytutu Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Gliwice (1981), Zadanie /81. [5] Mańczak K.: Metody identyfikacji wielowymiarowych obiektów sterowania. WNT Warszawa (1979). MULTICOMPONENT PROTECTION COATINGS ON HIGH- TEMPERATURECREEP RESISTING CAST STEEL OBTAINED FROM PASTE SUMMARY In this paper results of manufacturing trials of Al-Si-Fe-Cu coatings obtained from paste on LOH17N36S high-temperaturecreep resisting cast steel are presented. Process time, quantity of fluxing agent and quantity of binding agent was chosen as variables of a process. Mathemtical relationship between process variables and thickness of coatings were determined using statistical methods. Recenzował Prof. Józef Gawroński