38/15 Archives of Foundry, Year 5, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 5, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW PARAMETRÓW NADTAPIANIA NA PRĘDKOŚĆ WZROSTU ZIARN W WARSTWACH WIERZCHNICH ODLE- WÓW ZE STOPÓW KOBALTU Z. A. OPIEKUN 1 Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów STRESZCZENIE Praca dotyczy analizy wpływu parametrów nadtapiania warstw wierzchnich o d- lewów ze stopów kobaltu (natężenie prądu, prędkość przemieszczania łuku elektrycznego V p ) na prędkość wzrostu V kr epitaksjalnych ziarn komórkowo dendrytycznych austenitu kobaltowego γ. Prędkość wzrostu ziarn fazy γ najsilniej zależy od prędkości V p słabiej od gazu plazmotwórczo osłonowego i natężenia prądu. Key words: GTAW method, rapid crystallization, cobalt austenite γ 1. WSTĘP Warstwę wierzchnią odlewów z żarowytrzymałych stopów kobaltu można kształtować przez nadtapianie i szybką krystalizację wykorzystując łuk elektryczny w met o- dzie GTAW. W metodzie tej stosuje się zazwyczaj dwa gazy plazmotwórczo - osłonowe: argon i hel, zmienne wartości natężenia prądu, długości łuku elektrycznego oraz różne prędkości spawania [1-4]. Kształt i wymiary jeziorka ciekłego metalu, które decydują o prędkości wzrostu ziarn w nadtapianych warstwach wierzchnich zależą od przepływu ciepła w jeziorku, przepływu ciepła w głąb nadtapianego materiału, ruchu ciekłego metalu, zjawisku to p- nienia i krystalizacji, gęstości ciekłego metalu i innych [5-8]. Przy wykonywaniu nadtopień powierzchni odlewów kobaltowych za kryterium natężenia prądu przyjęto stabilną pracę łuku elektrycznego i gładkie lico nadtopień. Na podstawie próbnych nadtopień zdecydowano, że: 1 dr inż., lukopi@o2.pl
293 nadtopienia będą prowadzone w atmosferze argonu i helu przy zastosowaniu łuku elektrycznego o długości 3 mm, stosowane będzie natężenie prądu w zakresie A, prędkości przemieszczania łuku elektrycznego zmieniane będą w przedziale od V p = 800 mm/min. Stosowanie łuku elektrycznego o większej długości wiązało się z większymi stratami ciepła [8]. Stosowanie łuku o mniejszej długości było niewskazane bowiem powodowało silniejsze oddziaływanie strumienia plazmy co wiązało się z nadmiernym wygięciem lustra ciekłego metalu i powodowało gorszą jakość lica nadtopień [9]. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Materiał do badań Do badania wpływu parametrów nadtapiania na prędkość wzrostu ziarn fazy γ w warstwach wierzchnich zastosowano odlewy z trzech żarowytrzymałych stopów koba l- tu, których skład chemiczny zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopów kobaltu, % Table 1. Chemical composition of cobalt alloys, % Nr stopu C Cr Ni W Ta Ti Zr B Co 1 0,70 24,20 10,25 7,18 2.82 0,20 ----- ----- 2 0,73 24,05 10,23 7,00 2,86 0,20 1,70 ----- reszta 3 0,73 24,22 10,33 7,10 2,75 0,19 1,62 1,00 2.2. Warunki eksperymentu i metodyka badań Odlewy kobaltowe w kształcie płyt o wymiarach 120 x 60 x 10 mm nadtapiano powierzchniowo metodą GTAW stosując argon i hel oraz prędkości przemieszczania plazmy łuku elektrycznego V p =, 400, 800 mm/min. Podczas procesu nadtapiania i szybkiej krystalizacji ww. odlewów zmieniano natężenie prądu od A dla każdej prędkości V p. Badania mikrostruktury nadtopień ww. prowadzono na zgładach metalografic z- nych wykonanych przez polerowanie mechaniczne i trawienie elektrolityczne (50% wodny roztwór HNO 3, 9 V). Strukturę ww. obserwowano na ich przekrojach wzdłużnych do osi wzdłużnej nadtopień. Na tych przekrojach określono prędkości wzrostu ziarn fazy γ korzystając z zależności [10]: V kr = V p cos α (1) gdzie: V kr prędkość wzrostu ziarn fazy γ, V p prędkość przemieszczania strumienia plazmy łuku elektrycznego, α kąt zawarty między wektorem prędkości V p i kierunkiem wzrostu V kr.
294 Prędkości te oceniano w połowie głębokości nadtopień (rys. 1). 3. WYNIKI BADAŃ Rys. 1. Mikrostruktura przekroju wzdłużnego nadtopienia ww odlewu ze stopu 3. Warunki nadtapiania: I = A, V p = 800 mm/min, l ł = 3 mm, hel (V kr kierunek wzrostu, mikroskop optyczny i SEM) Fig. 1. Cobalt alloy 3 microstructure of longitudinal section of fusion zone. I = A, V p = 800 mm/min, l ł = 3 mm, helium atmosphere (optical microscopy and SEM) Wartości obliczonych prędkości wzrostu ziarn komórkowo dendrytycznych austenitu kobaltowego γ w warstwach wierzchnich nadtopień odlewów kobalto wych ze stopów 1, 2 i 3 w funkcji V p i I dla argonu i helu zestawiono w tabeli 2 i przedstawiono wykreślnie na rysunku 2
295 Tabela 2. Wartości V kr w zależności od V p i różnych natężeń prądu I, dla argonu i helu Table 2. Values V kr depending of V p and different current intensity I for argon and helium atmosphere Prędkość wzrostu, V kr [mm/s] 380 320 280 220 525 470 420 350 795 750 704 600 315 275 221 162 440 375 308 202 725 640 552 421 Prędkość, V p [mm/min] 400 800 400 800 Natężenie prądu, I [A] Atmosfera argon hel
296 4. PODSUMOWANIE Rys. 2. Wpływ prędkości przemieszczania plazmy łuku elektrycznego na prędkość wzrostu fazy γ, przy różnych natężeniach prądu. Dla: argonu a), helu b) Fig. 2. The effect speed of arc scanning V p on the speed growth γ phase for different current intensity: argon atmosphere a), helium atmosphere b) Prędkość wzrostu epitaksjalnych ziarn fazy γ najsilniej zależy od prędkości przemieszczania plazmy łuku elektrycznego V p, słabiej od gazu plazmotwórczo - osłonowego i natężenia prądu. Im większa V p i mniejsze natężenie prądu, tym większa prędkość V kr. Największą prędkość wzrostu ziarn austenitu kobaltowego γ obserwowano przy prędkości V p = 800 mm/min, natężeniu prądu I = A oraz dla atmosfery argonowej. Niezależnie od składu chemicznego odlewów ze stopów kobaltu, nadtapianie i szybka krystalizacja ich ww prowadzi do tworzenia się bardzo drobnych, przes y- conych pierwiastkami stopowymi ziarn fazy γ, przy równoczesnym wykrystalizowaniu na ich granicach ciągłej, cienkiej siatki eutektyki potrójnej złożonej z węglików typu MC i M 23 C 6 (austenit γ + MC + M 23 C 6 ). LITERATURA [1] Kim W. H., Fan H. G., Na S. J.: A Material model of Gas Tungsten Arc Welding considering the catode the free surface of the weld pool. Metal. And Mat. Trans B. 28B, 1997, 679 686 [2] Choo R. T., Szekely J., Westhoff R. C.: On the calculation of the free surface temperature of GTAW pools from first principles. Part I. Modeling the weld arc. Metall. Transactions B, 23 B, 1992, 357 369 [3] Jonson P. G., Eagar T. W., Szekely J.: Heat and metal transfer in Gas Metal Arc Welding using argon and helium. Metall. And Mat. Trans. B, 26B, 1995, 383 395
297 [4] Heiple C. R., Roper J. R.: Mechanism for minor element effect on GTA fusion zone geometry. Welding Journal, 4, 1982, 97 102 [5] Zacharia T., David S. A., Vitek J. M., Kraus H. G.: Computational modeling of stationary Gas Tungsten Arc Weld pools and comparison to stainless steel 304 experimental results. Metall and Mat. Trans. B, 22B, 1991, 143 257 [6] Lin M. L., Eagor T. W.: Influence of are pressure on weld pool geometry. Welding Research, Supplement, 1985, 163 169 [7] Choo R. T., Szekley J., David S. A.: On the calculation of the free surface temperature of Gas-Tungsten Arc weld pools from first principles: Part II Modeling the weld pool and comparison with experiments. Metall. Trans. B, 23B, 1992, 377 384 [8] Nelson T. W., Lippol J. C., Mills M. J.: Nature and evolution of the fusion boundary in ferritic-austenic dissimilar weld metals. Part I Nucleation and Growth, Welding Research Supplement, 1999, 329 337 [9] Lubimow W., Opiekun Z.: Formirowanije struktury powierchnostnogo słoja kobaltowych spławow skoncentrirowannym puszkom energii. Maszinostrojenije i Tiechnosfera na Rubieże XXI wieka, Donieck Sewastopol 1, tom 1, 283 289 [10] Szamanin W. W.: Niekotoryje woprosy kristalizacji mietałła szwa pri elektrod u- gowoj swarkie. Sudpromgiz, 1958 Pracę wykonano w ramach umowy U-6577/BW realizowaną na PRz. THE EFFECT OF GRAIN GROWING SPEED IN THE CAST COBALT AL- LOYS SURFACE AS A RESULT OF MELTING PARAMETERS SUMMARY This work presents speed of epitaxial austenite cobalt γ grain growing as the different melting parameters result (current intensity I and travel speed V p ). It has been found that phase γ depends from V p the strongest. Recenzował Prof. Jan Szajnar