Charakterystyka natryskiwanej plazmowo powłoki NiCrBSi

Transkrypt

1 AGATA DUDEK Charakterystyka natryskiwanej plazmowo powłoki NiCrBSi Characteristics of plasma-sprayed NiCrBSi coating STRESZCZENIE Materiałem do badań był proszek na bazie niklu (NiCrBSi), który stosuje się na pokrycia elementów, zapewniając im odporność na zużycie ścierne czy erozję oraz odporność korozyjną. Metodą natryskiwania plazmowego wykonano powłokę o grubości około µm na stali niskostopowej. Za pomocą rentgenowskiej analizy jakościowej określono skład fazowy: proszku NiCrBSi oraz naniesionej powłoki. Obliczono stopień krystaliczności powłoki natryskiwanej na podłoże stali 4Cr4. Przeprowadzono charakterystykę mechanicznych właściwości powłoka/podłoże poprzez wykonanie Scratch Testu. Zbadano przyczepność powłoki do podłoża oraz obliczono takie własności, jak: siłę i współczynnik tarcia dla badanych materiałów. Określono krytyczną wartość siły, przy której natryskiwana powłoka uległa delaminacji. WPROWADZENIE Ciągłe poszukiwanie coraz to nowszych materiałów, których własności użytkowe spełniałyby oczekiwania nowoczesnej techniki, przyczynia się do rozwoju oraz ewolucji inżynierii materiałowej. Postęp w opracowywaniu oraz w badaniach materiałów o lepszych właściwościach użytkowych, jest w głównej mierze stymulowany ich późniejszym zastosowaniem [1 5]. Jednym ze sposobów poprawy własności stosowanych materiałów jest ich konstytuowanie, dzięki któremu uzyskuje się coraz nowsze i bardziej złożone tworzywa [6 9]. Podwyższanie trwałości eksploatacyjnej maszyn i urządzeń dokonuje się poprzez zastosowanie bardziej odpornych na zużycie materiałów lub też podwyższenie odporności tylko zewnętrznych warstw współpracujących elementów. W związku z tym, w dynamicznie rozwijającej się inżynierii powierzchni można zaobserwować powstawanie coraz nowocześniejszych procesów technologicznych i metod badawczych. Zastosowane w celu modyfikacji cienkiej warstwy wierzchniej elementów technologiczne metody wytwarzania, powodują podwyższenie własności użytkowych obrabianego elementu. Parametry stanu warstwy wierzchniej kształtowane są w sposób świadomy w wyniku zastosowania odpowiednich operacji, których wybór jest decydujący dla uzyskania określonych właściwości. Jedną z metod poprawy własności użytkowych całego elementu jest wytwarzanie na jego powierzchni powłoki o odmiennych od pokrywanego materiału własnościach. Metodą, która cieszy się niesłabnącym zainteresowaniem, jest natryskiwanie cieplne. Proces nakładania różnego rodzaju powłok, realizowany jest za pomocą specjalnego palnika, który służy do stapiania oraz natryskiwania materiału w postaci proszku [7]. Podczas natryskiwania plazmowego cząstki materiału wyrzucane są z palnika z dużą prędkością, osiadając na powierzchni elementu oraz nawzajem na siebie, tworzą powłokę. Proces tworzenia się powłoki składa się z trzech etapów: uderzanie natryskiwanych cząstek o podłoże, wiązanie natryskiwanych cząstek z podłożem oraz powstanie struktury powłoki [1]. Dr inż. Agata Dudek (dudek@mim.pcz.czest.pl) Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Materiałowej ABSTRACT Materials for investigations included powders based on nickel (NiCrBSi), which are used for coatings in components in order to ensure their resistance to friction-related wear or erosion as well as to corrosion resistance. Method of plasma spraying was used to obtain a layer of µm thickness on low-alloy steel. X-ray quality analysis was employed for determination of phase composition of NiCrBSi powder and the coating. Degree of crystallinity has been calculated for the coating which was sprayed on base material of 4Cr4 steel. Characteristics of mechanical properties of coating and base material have been obtained through Scratch Test. Adhesion of the layer to the base material has been tested while some properties have been calculated, i.e.: force and coefficient of friction for the investigated materials. Critical value of the force at which the sprayed layer was delaminated has also been determined. Jednym z materiałów stosowanych na powłoki różnego rodzaju elementów są kompozycje metaliczne na bazie Ni, które w ostatnim czasie znalazły się w kręgu zainteresowań wielu ośrodków badawczych w kraju i za granicą [1 17]. Materiały te dzięki połączeniu wyjątkowych własności, stosowane są w warunkach silnego zużycia lub też oddziaływania czynników korozyjnych między innymi w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, budowlanym oraz samochodowym [1 17]. Celem pracy były badania fazowe i strukturalne proszku oraz powłoki NiCrBSi otrzymanej metodą natryskiwania plazmowego. Poprzez przeprowadzenie Scratch Testu, badania miały na celu charakterystykę własności mechanicznych systemu powłoka/podłoże. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Materiałem użytym w trakcie badań był proszek NiCrBSi otrzymany mechaniczną metodą rozpylania z fazy ciekłej. Materiał ten stosowany jest najczęściej na pokrycia elementów, zapewniając im odporność na zużycie ścierne, erozję oraz odporność korozyjną. Metodą natryskiwania plazmowego na powierzchni próbek wykonanych ze stali niskostopowej 4Cr4, o wymiarach 7x2x5 mm, wykonano powłokę NiCrBSi o grubości około µm. Powierzchnię próbek przed natryskiwaniem odtłuszczono oraz poddano piaskowaniu. Badania mikrostrukturalne proszku i powłoki wykonano za pomocą mikroskopu: świetlnego Neophot 23 oraz skaningowego JEOL JSM 5. Badania składu chemicznego wykonano za pomocą mikroskopu skaningowego wraz z przystawką EDX. Rentgenowską analizę jakościową przeprowadzono w celu ujawnienia zmian fazowych: proszku NiCrBSi oraz powłoki po natryskiwaniu plazmowym. Badania składu fazowego przeprowadzono na dyfraktometrze rentgenowskim Seifert XRD 33 stosując: promieniowanie λ CoKα =,1792 nm. napięcie zasilające dyfraktometru 4 kv, natężenie prądu 3 ma, krok pomiarowy,2, czas zliczania impulsów 1 s. 632

2 W celu określenia stopnia krystaliczności powłoki, dyfraktogram dla powłoki poddano dalszej obróbce numerycznej polegającej na: wygładzeniu, obcięciu tła, rozdzieleniu pików pochodzących od faz krystalicznych i szerokątowego piku pochodzącego od fazy amorficznej, wyznaczeniu stopienia krystaliczności. Do rozdziału poszczególnych pików posłużono się funkcją matematyczną Pearson VII. Zakładając, że natężenie promieniowania rentgenowskiego w obszarach krystalicznych jest proporcjonalne do udziału masowego faz krystalicznych, natomiast natężenie promieniowania rozproszonego dyfuzyjnie jest proporcjonalne do udziału masowego fazy amorficznej, stopień krystaliczności można wyznaczyć stosując zależność zaproponowaną przez Wunderlicha (1) [5]: Ikryst SK = (1) k * I amorf + Ikryst gdzie: I suma natężeń integralnych promieniowania w obszarach kryst krystalicznych, I amorf natężenie integralne promieniowania rozproszonego dyfuzyjnie w obszarach amorficznych, k współczynnik proporcjonalności. Badania przyczepności wykonanej powłoki przeprowadzono na urządzeniu Revetest XPress Plus stosując penetratora Rockwella. Test wykonano stosując następujące parametry: zadane obciążenie 1 2 N, długość rysy 15 mm, prędkość zarysowania 2,26 mm/min. Wykorzystana technika służy do kontrolowanego zarysowania powierzchni próbki diamentowym wgłębnikiem przy zmiennym obciążeniu. Przeprowadzenie testu na Scratch Testerze miało na celu charakterystykę mechanicznych właściwości powierzchni powłoki, takich jak: adhezja, pękanie czy odkształcenie. Badanie to pozwoliło na opis systemu powłoka/podłoże i obliczenie parametrów, takich jak siła tarcia, wytrzymałość adhezyjna. Schemat testu zarysowania przedstawiono na rys. 1. badanego proszku posiadały kształt sferoidalny o średniej średnicy cząstek wynoszącej około 5 µm (rys. 2). Uzyskane widmo rentgenowskie natryśniętej powłoki przedstawia rysunek 3. Analiza składu chemicznego powłoki odpowiadała składowi proszku wyjściowego. Rys. 2. Morfologia proszku użytego do wytworzenia powłoki Fig. 2. Morphology of the powder used to produce the coating Mikrostrukturę natryskiwanej powłoki NiCrBSi przedstawiono odpowiednio na rysunkach 4 i 5. Ujawniona mikrostruktura powierzchni powłoki wskazuje, że część cząstek proszku uległa silnemu odkształceniu plastycznemu zderzając się podczas natryskiwania z powierzchnią stalowego podłoża. Cząstki proszku docierając do podłoża w stanie ciekłym uległy rozpryśnięciu. Na powierzchni widoczne są ponadto cząstki, które zostały jedynie częściowo nadtopione przebywając bardzo krótki czas w strumieniu plazmy (rys. 4). Zadana siła Powłoka Linia zarysowania Substrat Ruch próbki Penetrator Rockwella Rys. 1. Schemat metody Scratch Test Fig. 1. Scratch test method scheme WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Badania składu chemicznego użytego proszku przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny proszku w % masowych Table 1. Chemical composition of the powder in weight % Skład w % mas. Fe Cr B Si Ni NiCrBSi reszta Przeprowadzone badania za pomocą mikroskopu optycznego pozwoliły określić wielkość i kształt cząstek proszku. Ziarna Rys. 3. Widmo rentgenowskie natryskiwanej powłoki Fig. 3. X-ray spectrum for the sprayed coating Analiza morfologii zgładu poprzecznego uzyskanego dla powłoki (rys. 5), wskazuje na warstwową, lamellarną budowę, powstałą na skutek nanoszenia kolejnych warstw stopionego materiału proszkowego. Powłoka charakteryzowała się ponadto wysokim stopniem porowatości (12%). Wyniki rentgenowskiej analizy fazowej przedstawiono w postaci dyfraktogramów na rysunkach 6, 7. Dyfrakcja proszku wyjściowego wykazała obecność pików pochodzących od niklu oraz chrom. Ponadto ujawniono obecność faz: CrB, Ni 3 B, Cr 3 Si, NiSi (rys. 6). Nr 6/28 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 633

3 6 -Ni 5 Intensywność Profil dopasowania Faza amorficzna theta Rys. 4. Mikrostruktura powierzchni natryskiwanej powłoki Fig. 4 Microstructure of the surface in the sprayed layer Rys. 7. Dyfraktogram rentgenowski natryskiwanej powłoki Fig. 7. X-ray diffractogram of NiCrBSi coating Badania mające na celu określenie przyczepności powłoki wykonano na zautomatyzowanym urządzeniu, dzięki któremu przeprowadzono obserwacje mikroskopowe oraz analizę linii zarysowania na całej długości zadanej siły. Przeprowadzona obserwacja pozwoliła wyznaczyć dla powłoki charakterystyczne, krytyczne punkty w trakcie przeprowadzanego testu, dla których powłoka ulegała odkształceniu lub pękaniu. Rysunek 8 i 1 przedstawia typowy wygląd linii zarysowania, powłoki przy obciążeniu odpowiednio 1 N i 16 N. Przeprowadzono analizę otrzymanego obrazu, przedstawiając głębokość penetracji w skali szarości oraz wykonano geometryczną analizę szerokości powstałej rysy (rys. 9, 11). Rys. 5. Przekrój poprzeczny powłoki oraz stalowego podłoża Fig. 5 cross-section of the layer and steel base material Kształt dyfraktogramu, przedstawionego na rysunku 7, świadczy o obecności w natryskiwanej powłoce dwóch faz: krystalicznej (Ni) oraz amorficznej. Powstanie fazy amorficznej wytłumaczyć należy faktem szybkiego stygnięcia przetopionej masy proszku, czyli gwałtownym obniżaniem się temperatury, uniemożliwiając tym samym zajście procesu całkowitej krystalizacji. Powstałe szkło metaliczne, będące zamrożoną cieczą, charakteryzuje się brakiem dalekiego uporządkowania atomów. Rentgenowska analiza ilościowa wykazała w powłoce otrzymanej w wyniku procesu natryskiwania plazmowego, 38% udział fazy krystalicznej. Intensywność theta Rys. 6. Dyfraktogram rentgenowski proszku NiCrBSi Fig. 6. X-ray diffractogram of nicrbsi powder - Cr - Ni - CrB - Cr 3 Si - Ni 3 B - NiSi Rys. 8. Linia zarysowania powłoki diamentowym wgłębnikiem, 1 n Fig. 8. Scratch line performed by diamond tip, 1 n Rys. 9. Geometria powstałej linii zarysowania, 1 N Fig. 9 Geometry of the scratch line, 1 N Podczas procesu zarysowania Scratch Test nastąpiło jednoczesne oddziaływanie obciążeń normalnych i stycznych w strefie kontaktu 634

4 powłoka-penetrator. Stykające się powierzchnie znalazły się w złożonym stanie naprężeń i odkształceń, prowadząc do osiągnięcia wartości granicznych. Dane uzyskane w wyniku przeprowadzonego Scratch Testu, przedstawiono w postaci wykresu dla rosnącej zadanej siły obciążenia (rys. 12). Analiza uzyskanych danych ujawniła znaczącą zmianę w wielkości współczynnika oraz siły tarcia podczas obciążenia wynoszącego L kryt. =16 N (zaznaczonego linia pionową na rysunku 12). Przeprowadzone badania mikroskopowe oraz analiza wykresu pozwalają na stwierdzenie, że wartość (zaznaczona na wykresie L kryt ) jest wielkością krytyczną siły dla badanej powłoki, gdzie uległa ona odwarstwieniu od podłoża. Współczynnik tarcia dla powłoki zmieniał się w pewnym zakresie od,1 do,4, na co miała wpływ wysoka chropowatość badanych powłok. Głębokość zarysowanego obszaru (jego wymiary liniowe) ściśle uzależniona jest od zadanych parametrów testu. Wraz ze wzrostem zadanej siły nastąpiła zmiana profilu linii zarysowania. Rys. 11. Geometria linii powstałej po zarysowaniu, 16 N Fig. 11. Geometry of the scratch line, 16 N Obraz 3D linii zarysowania na długości zadanego w trakcie testu odcinka pomiarowego prezentuje rysunek 13. Szerokość linii zarysowania zależała ściśle od poziomu wartości zadanego obciążenia. Na odcinku zadanego obciążenia wynoszącego od 1 16 N wartość ta rosła proporcjonalnie, osiągając np. dla obciążenia równego 1 N 8 µm. W przypadku przekroczenia krytycznej siły L kryt., która wyraźnie widoczna jest na wykresie zmianą kształtu krzywych, powłoka uległa delaminacji a szerokość linii zarysowania metalowego podłoża wyniosła 6 µm. Rys. 1. Linia zarysowania powłoki diamentowym wgłębnikiem, 16 N Fig. 1. Scratch line performed by diamond tip, 16 N L kryt. Siła [mn] Współczynnik tarcia Głębokość penetracji Zadana siła obciążenia Współczynnik tarcia Głębokość penetracji [µm] Siła tarcia Rys. 12. Wykresy z danych uzyskanych ze Scratch testu Fig. 12. Charts of data obtained from Scratch Test Zadana siła obciążenia [mn] Długość odcinka pomiarowego [mm] Nr 6/28 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 635

5 Rys. 13. Obraz 3D linii zarysowania Fig D image for the scratch line WNIOSKI W wyniku procesu natryskiwania uzyskano na podłożu stali niskostopowej około µm powłokę NiCrBSi. W powłoce powstałej poprzez natryskiwanie plazmowe proszku NiCrBSi wykazano obecność fazy amorficznej, powstałej w wyniku dużej szybkości chłodzenia przetopionych cząstek. Wyznaczony na podstawie rentgenowskiej analizy ilościowej poziom krystaliczności w powłoce natryskiwanej wyniósł 38%. Badania mikrostrukturalne ujawniły warstwową budowę otrzymanej powłoki oraz wysoki stopień porowatości. Przeprowadzenie badania Scratch Test pozwoliło na charakterystykę układu powłoka/podłoże (NiCrBSi/stal 4Cr4) wraz z otrzymaniem takich wartości, jak: współczynnik tarcia, siła tarcia oraz krytyczna siła obciążenia powłoki, przy której ulega ona rozwarstwieniu. Przeprowadzone badania mikroskopowe wraz z analizą danych przedstawionych w postaci wykresu (rys. 12), pozwalają na stwierdzenie, że wartość L kryt = 16 N (zaznaczona na wykresie) jest wielkością krytyczną siły dla badanej powłoki, gdzie powłoka uległa odwarstwieniu od stalowego podłoża. [4] Węglowski M. S., Kępińska M., Mikno Z.: Arc light emission in TIG welding, Archives of Foundry 21 (26) [5] Wunderlich B.: Macromolecular Physic, 2, Academic Press, New York, (1973). [6] Szajnar J., Wróbek P., Wróbel T.: TIG sufacing-method of repair chromium cast with casting defects, Archives of Foundry 6 (26) [7] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. WNT, Warszawa, (1995). [8] Dudek A., Nitkiewicz Z.: The structure properties of surface layers which were obtained by alloying process, Acta Metallurgia Slovaca 8 (22) [9] Dudek A., Nitkiewicz Z.: Diagnostics of plasma arc during the process of remelting of surface layer in 4Cr4 steel. Archives of Materials Science and Engineering 28 (27) [1] Qian Ming, Lim L. C., Chen Z. D.: Laser cladding of nickel-based hardfacing alloys, Surf. Coat. Technol. 16 (1998) [11] Conde, Zubiri F., Damborenea J.: Cladding of Ni Cr B Si coatings with a high power diode laser, Mater. Sci. Eng. A 334 (1 2) (22) [12] Rodrıguez J., Martin A., Fernandez R., Fernandez J. E.: An experimental study of the wear performance of NiCrBSi thermal spray coatings, Wear 255 (23) [13] Sun R. L., Yang D. Z., Guo L. X., S. L.: Dong: Microstructure and wear resistance of NiCrBSi laser clad layer on titanium alloy substrate, Surf. Coat. Technol. 132 (2) [14] Kim H., Hwang S., Lee C., Juvanon P.: Assesment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings, Surf. Coat. Technol. 172 (23) [15] Lim L. C., Ming Q., Chen Z. D.: Microstructures of laser-clad nickelbased hardfacing alloys, Surf. Coat. Technol. 16 (1998) [16] Li Q., Zhang D., Lei T., Chen C., Chen W.: Comparison of laser-clad and furnace-melted Ni-based alloy microstructures, Surf. Coat. Technol. 137 (21) [17] Conde, Zubiri F., de Damborenea J.: Cladding of NiCrBSi coatings with a high power diode laser, Mater. Sci. Eng. A 334 (22) LITERATURA [1] Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa (22). [2] Dudek A., Nitkiewicz Z.: The arc plasma shape in the structural changes aspect after remelting process, Archives of Foundry 21 (26) [3] Ptak W., Tabor A.: Effect of primary remelting of cast iron on the quality of repair welds and casting welds, Archives of Foundry 21 (26)