51/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI MATERIAŁU NA GRUBOŚĆ POWŁOKI PO ALFINOWANIU S. PIETROWSKI 1, T. SZYMCZAK 2 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu chropowatości powierzchni próbek ze stopów żelaza na grubość powłoki po alfinowaniu. Wykazano, że występuje krytyczna wartość chropowatości, do której grubość powłoki wzrasta, a po jej przekroczeniu maleje. Jest ona różna dla żelaza armco, stali 45 oraz żeliwa szarego i sferoidalnego. Podano hipotetyczny mechanizm oddziaływania chropowatości na proces tworzenia powłoki. Key words: roughness, iron alloys, alfinizing 1. WSTĘP W pracach [1-3] przedstawiono budowę powłoki po alfinowaniu w kąpieli Al-Si10 na stopach żelaza, przypuszczalny mechanizm jej krystalizacji oraz prawdopodobny mechanizm tworzenia się połączenia powłoki alfinowanej z siluminem. Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu wysokości chropowatości Rz oraz średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości Ra na grubość powłoki alfinowanej nanoszonej na powierzchni stopów żelaza. 1 prof. dr hab. inż., spietrow@mail.p.lodz.pl 2 mgr inż., tunio100@o2.pl 433
2. METODYKA BADAŃ Pomiarów wysokości chropowatości Rz i średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości Ra badanych próbek z żelaza armco, stali gatunku 45, żeliwa szarego i żeliwa sferoidalnego dokonano przy użyciu profilografu Mitutoyo Surftest 301. Technologia alfinowania oraz skład kąpieli alfinującej były analogiczne jak w pracach [1-3]. Temperatura kąpieli alfinującej wynosiła 750 10 C, czas wytrzymania próbki wynosił = 180 s. Parametry te zostały w/w pracach określone jako optymalne dla procesu alfinowania badanych stopów żelaza. Badania metalograficzne i grubości powłok zostały określone na mikroskopie optycznym z rejestracją i odczytem komputerowym. 3. WYNIKI BADAŃ Stan powierzchni próbek ze stopów żelaza wykorzystanych do badań prezentowanych w pracach [1-3] został uzyskany poprzez zastosowanie toczenia dokładnego. Dla realizacji celu niniejszej pracy wykonano próbki z badanych stopów żelaza o różnych wartościach parametru Rz ( Ra ). Dokonano tego poprzez zastosowanie różnych dokładności obróbki toczenia oraz szlifowania. Na badanych stopach żelaza uzyskano w ten sposób wartości wysokości chropowatości Rz i średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości Ra które przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Średnie wartości parametru Rz i Ra uzyskane na badanych stopach żelaza po obróbce skrawaniem i szlifowaniu Table 1. Average values of Rz and Ra parameter obtained on testing iron alloys after machining and grinding. Średnie wartości parametrów Rz ( Ra ), m Rodzaj obróbki Stal Żeliwo Armco 45 Szare Sferoidalne Szlifowanie 4,10 (0,48) 4,90 (0,82) 6,40 (0,95) 5,13 (0,76) Toczenie dokładne 1 9,20 (1,24) 22,13 (2,79) 25,90 (3,46) 17,75 (2,47) Toczenie dokładne 2 22,93 (3,68) 26,77 (3,84) 31,43 (5,55) 34,57 (4,92) Toczenie zgrubne 50,33 (7,79) 48,23 (7,96) 56,97 (10,46) 51,50 (9,91) Z przedstawionych danych wynika, że niezależnie od rodzaju obróbki skrawaniem najmniejszą wartość Ra otrzymano dla żelaza armco, a największą dla żeliwa szarego. Wartości Rz układały się różnie dla badanych stopów. Po szlifowaniu najmniejszą Rz uzyskano dla stali 45 i żelaza armco, następnie żeliwa sferoidalnego i największą dla żeliwa szarego. Po toczeniu zgrubnym wartości Rz były podobne dla armco, stali 45 i żeliwa sferoidalnego. Największą Rz wykazuje 434
ARCHIWUM ODLEWNICTWA żeliwo szare. Toczenie dokładne zapewniło najmniejszą Rz na armco, a największą na żeliwie szarym. Wpływ parametru Rz na grubość powłoki na badanych stopach żelaza przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Wpływ wysokości chropowatości Rz na grubość powłoki na badanych stopach żelaza Fig. 1. The influence of Rz roughness height on the coat thickness on testing iron alloys. Wynika z niego, że niezależnie od rodzaju stopu, początkowo ze wzrostem Rz grubość powłoki zwiększa się do pewnej wielkości krytycznej powyżej, której grubość powłoki maleje. Krytyczne wartości Rz ( Ra ) podano w tabeli 2. Wynika z niej, że dla żelaza armco i stali są one są one podobne i wynoszą odpowiednio: Rz=22,93 m (Ra=3,68 m) i Rz=26,77 m (Ra=3,84 m). Również dla żeliwa szarego oraz sferoidalnego są zbliżone i wynoszą odpowiednio: Rz=31,43 m (Ra=5,55 m) i Rz=34,57 m (Ra=4,92 m). 435
Tabela 2. Wartości krytyczne parametrów chropowatości Ra i Rz Table 2. Critical values of Ra and Rz roughness parameters. Wartości krytyczne parametrów Rodzaj stopu żelaza chropowatości, m Rz Ra Żelazo armco 22,93 3,68 Stal 45 26,77 3,84 Żeliwo szare 31,43 5,55 Żeliwo sferoidalne 34,57 4,92 Reprezentatywne przykłady powłok w funkcji Rz ( Ra ) uzyskanych na żelazie armco i żeliwie sferoidalnym pokazano na rysunkach 2 i 3(a-d). a) Rz = 4,10 m Ra = 0,48 m b) Rz = 9,20 m Ra = 1,24 m c) Rz = 22,93 m Ra = 3,68 m d) Rz = 50,33 m Ra = 7,79 m Rys. 2 (a-d). Reprezentatywne powłoki otrzymane na próbkach z żelaza armco, o następujących wartościach parametru chropowatości Rz ( Ra ): a 4,10 (0,48) m; b 9,20 (1,24) m; c 22,93 (3,68) m; d 50,33 (7,79) m Fig. 2 (a-d). The representative coats on armco iron samples with following values of Rz ( Ra ) roughness parameter: a 4,10 (0,48) m; b 9,20 (1,24) m; c 22,93 (3,68) m; d 50,33 (7,79) m. 436
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) Rz = 5,13 m Ra = 0,76 m b) Rz = 17,75 m Ra = 2,47 m c) Rz = 34,57 m Ra = 4,92 m d) Rz = 51,50 m Ra = 9,91 m Rys. 3 (a-d). Reprezentatywne powłoki otrzymane na próbkach z żeliwa sferoidalnego, o następujących wartościach parametru chropowatości Rz ( Ra ): a 5,13 (0,76) m; b 17,75 (2,47) m; c 34,57 (4,92) m; d 51,50 (9,91) m Fig 3. (a-d). The representative coats on ductile cast iron samples with following values of Rz ( Ra ) roughness parameter: a 5,13 (0,76) m; b 17,75 (2,47) m; c 34,57 (4,92) m; d 51,50 (9,91) m. 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Przedstawione zmiany grubości powłoki w funkcji Rz ( Ra ) związane są z mechanizmem jej tworzenia w którym należy uwzględnić chropowatość powierzchni. Reprezentatywne przykłady chropowatości powierzchni po różnej obróbce skrawaniem badanych stopów przedstawiono na rysunku 4-7(a-d). 437
a) b) c) d) Rys. 4. Reprezentatywna chropowatość powierzchni żelaza armco po różnej obróbce skrawaniem: a szlifowanie, b toczenie dokładne 1, c toczenie dokładne 2, d toczenie zgrubne Fig. 4. The representative roughness of armco iron surface after various machining: a grinding, b precise turning 1, c precise turning 2, d roughing. 438
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) c) d) Rys. 5. Reprezentatywna chropowatość powierzchni stali 45 po różnej obróbce skrawaniem: a szlifowanie, b toczenie dokładne 1, c toczenie dokładne 2, d toczenie zgrubne Fig. 5. The representative roughness of 45 cast steel surface after various machining: a grinding, b precise turning 1, c precise turning 2, d roughing. 439
a) b) c) d) Rys. 6. Reprezentatywna chropowatość powierzchni żeliwa szarego po różnej obróbce skrawaniem: a szlifowanie, b toczenie dokładne 1, c toczenie dokładne 2, d toczenie zgrubne Fig. 6. The representative roughness of grey cast iron surface after various machining: a grinding, b precise turning 1, c precise turning 2, d roughing. 440
ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) c) d) Rys. 7. Reprezentatywna chropowatość powierzchni żeliwa sferoidalnego po różnej obróbce skrawaniem: a szlifowanie, b toczenie dokładne 1, c toczenie dokładne 2, d toczenie zgrubne Fig. 7. The representative roughness of ductile cast iron surface after various machining: a grinding, b precise turning 1, c precise turning 2, d roughing. 441
Wynikają z nich następujące wnioski: pole powierzchni wierzchołków chropowatości jest bardzo małe w stosunku do pola powierzchni nominalnej i zwiększa się z malejącą gładkością powierzchni, pochylenie profilu mikronierówności powierzchni obrobionych z różną gładkością jest tym większe, im wyższa jest chropowatość, pochylenie profilu i krzywizna wierzchołków wzdłuż śladów obróbki są wielokrotnie mniejsze niż w kierunku prostopadłym do nich. Powyższe czynniki mają istotny wpływ na przedstawiony w pracy [3] hipotetyczny mechanizm tworzenia powłoki alfinowanej. Po zanurzeniu próbki do kąpieli siluminowej następuje zakrzepnięcie siluminu na jej powierzchni, a następnie jego stopienie po nagrzaniu próbki do temperatury ciekłego siluminu. Mała wielkość Rz ( Ra ) po szlifowaniu, powoduje, że próbka nagrzewa się do temperatury kąpieli w całej objętości, co wymaga stosunkowo długiego czasu. Wzrost wielkości Rz ( Ra ) do wartości krytycznej w wyniku toczenia powoduje bardzo szybkie nagrzanie wierzchołków, a następnie całej chropowatości do temperatury ciekłej kąpieli. W konsekwencji wzrasta intensywność nagrzewania próbki w kierunku do jej osi. Przekroczenie wartości krytycznej Rz ( Ra ), powoduje wzrost pola powierzchni wierzchołków chropowatości i zmniejszenie intensywności ich nagrzewania, a przez to i całego przekroju próbki. Ponownie wydłuża się czas nagrzania próbki do temperatury kąpieli siluminowej. W dalszym etapie, w wyniku zwilżana próbki przez ciekły silumin i procesów lepkościowych zachodzi dyfuzja reakcyjna atomów Al i Si z kąpieli do próbki i ich adsorpcja oraz atomów Fe i Si z próbki w stronę kąpieli. Następuje rozpuszczanie się chropowatości. Przy małej wartości Rz ( Ra ) po szlifowaniu różnica stężenia Al, Fe i Si pomiędzy obszarem, w którym był wierzchołek chropowatości, a wgłębieniem jest niewielka. W związku z tym zarówno przechłodzenie stężeniowe jak i spowodowane ujemną krzywizną powierzchni rozdziału ciecz faza stała są małe i w związku z tym jest mała szybkość wzrostu fazy Al 12 Fe 3 Si a na niej Al 9 Fe 2 Si i następnie siluminu. Tworzy się powłoka o małej grubości. Wzrost Rz ( Ra ) do wartości krytycznej, w wyniku szybkiego nagrzewania chropowatości, intensyfikuje dyfuzję reakcyjną. Następuje prawdopodobnie szybkie rozpuszczanie się chropowatości. Ze względu na dużą wysokość chropowatości, różnica stężenia Al, Fe i Si pomiędzy wgłębieniem o dużym promieniu, a obszarem, w którym był wierzchołek chropowatości jest znaczna. W obszarze tym powstaje duże przechłodzenie stężeniowe, przypuszczalnie większe od przechłodzenia wskutek ujemnej krzywizny wgłębienia. Powoduje to z kolei bardzo szybkie rozpuszczanie chropowatości w rejonach wgłębień. W konsekwencji, przechłodzenie w rejonach wgłębień staje się większe niż w rejonach rozpuszczonych wierzchołków, nierówności, co powoduje szybką krystalizację stosunkowo grubej warstwy faz Al 12 Fe 3 Si oraz Al 9 Fe 2 Si. Przekroczenie krytycznej wielkości Rz ( Ra ) powoduje zmniejszenie intensywności nagrzewania chropowatości i próbki do temperatury kąpieli siluminowej. W związku z tym następuje skrócenie czasu podanych poprzednio procesów. 442
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Prawdopodobnie zmniejsza się także przechłodzenie stężeniowe oraz wynikające z ujemnej krzywizny powierzchni rozdziału ciecz-faza stała. W konsekwencji maleje grubość powłoki. W żeliwie, ze względu na obecność grafitu i związaną z nim porowatość, wysokość chropowatości Rz jest większa w porównaniu z żelazem armco i stalą 45 pomimo tego, grubość powłoki jest o 50-100% większa niż dla stali. Spowodowane jest to zwiększoną w żeliwie ilością krzemu, a także porowatością żeliwa, s zczególnie w otoczeniu grafitu, ułatwiającą proces rozpuszczania żelaza. 5. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski: chropowatość powierzchni do alfinowania wywiera istotny wpływ na grubość powłoki, występuje krytyczna wartość wysokości chropowatości Rz i średniego arytmetycznego odchylenia profilu chropowatości Ra powyżej, której grubość powłoki maleje, krytyczne wartości Rz i Ra są zróżnicowane dla różnych stopów żelaza. LITERATURA [1] Pietrowski S.: Budowa warstwy alfinowanej na żeliwie szarym. Archiwum Odlewnictwa, nr 11 (2004). [2] Pietrowski S., Szymczak T.: Budowa zanurzeniowych powłok Al-Si na stopach żelaza. Archiwum Odlewnictwa, nr 12 (2004). [3] Pietrowski S., Szymczak T.: Budowa połączenia powłoki alfinowanej z siluminem. Archiwum Odlewnictwa, nr 14 (2004). 443
THE INFLUENCE OF SURFACE ROUGHNESS OF MATERIAL ON THE COATING THICKNESS AFTER ALPHINIZING SUMMARY In this paper results of the influence of the surface roughness of samples of iron alloys on the coat thickness after alphinizing have been presented. It was shown, that there is the critical value of roughness till the coat thickness increase and after crossing it decrease. It is various for armco iron, 45 cast steel, grey cast iron and ductile cast iron. A hypothetical mechanism of effect of roughness on process of coating creation have been presented. Recenzował: prof. dr hab. inż. Edward Guzik 444