18/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA MIKROSKOPOWE REGENERACYJNEJ WARSTWY NAPAWANEJ ZE STALI 13CrMo4-5 WYKONANEJ W TECHNOLOGII MULTIPLEX A. KRASIŃSKI 1, L. KLIMEK 2 Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul Stefanowskiego 1, 90-924 Łódź STRESZCZENIE Niniejsza praca zawiera wyniki badań charakterystyki strukturalnej warstw otrzymanych w wyniku połączenia technologii napawania niskowęglową stalą niskost o- pową z jej późniejszą obróbką cieplno-chemiczną. Spośród wielu gatunków materiałów nadających się do wykorzystania w ramach opracowanej metody regeneracji mogących stanowić napoinę na szczególną uwagę zasługuje stal o oznaczeniu 13CrMo4-5. Po wykonaniu napoin przeprowadzono badania metalograficzne uzyskanych warstw. Szczegółowo przebadano napoinę oraz strefę przypowierzchniową wykorzystując dostępny asortyment technik instrumentalnych i metod badawczych będący na wyposażeniu Instytutu Inżynierii Materiałowej PŁ. Następnie wykonano obróbki cieplno-chemiczne azotowania (NITROVAC), azotonasiarczania (SULFONIT) oraz nawęglania próżniowego (FINE CARB). Key words: rebuilding by welding, cladding, microstructure, padding weld, vacuum nitriding, sulphonitriding, vacuum carburizing 1. WSTĘP Intensywna eksploatacja części maszyn oraz urządzeń powoduje wzrost wielkości zużycia współpracujących elementów, co w konsekwencji może doprowadzić do ich zniszczenia. Zjawiska te w przeważającej mierze zachodzą lub są inicjowane w strefie warstwy wierzchniej, dlatego też najbardziej efektywną metodą podwyższenia 1 dr inż. Adam Krasiński, adamkras@p.lodz.pl 2 dr inż. Leszek Klimek, kemilk@p.lodz.pl 157
właściwości użytkowych elementów maszyn jest kształtowanie struktury i składu ch e- micznego tejże warstwy. We współczesnej technologii maszyn szeroko stosowane są różnego rodzaju utwardzone warstwy wierzchnie, otrzymane metodami powierzchniowej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej [1]. Wzrost wymagań wobec parametrów eksploatacyjnych części maszyn, a zwłaszcza: duże obciążenie, znaczna prędkość, szeroki zakres temperatur pracy, agresywne środowisko, powoduje ich przyspieszone zużycie powierzchniowe, a niekiedy prowadzi do zniszczenia całych elementów. Ekonomicznym sposobem przywrócenia im odpowiednich cech użytkowych lub prewencyjnego zagwarantowania odpowiednich właściwości jest wstępne zabezpieczenie elementów nowowytwarzanych lub regeneracja starych w ramach procedury naprawczej, przez nakładanie powłok metodami spawalniczymi. Napawanie stwarza możliwość kształtowania warstwy wierzchniej i optymalizacji właściwości użytkowych części maszyn i urządzeń. Zużycie elementów w postaci ubytków geometrycznych jest bardziej intensywne od zużycia zmęczeniowego, dlatego też napawanie stosuje się jako metodę odtwarzania wymiarów zużytych części oraz jako metodę kształtowania właściwości warstwy wierzchniej (np. w efekcie napawania utwardzającego przewidzianego w procesie technologicznym), która pozwala uzyskać napoiny o wymaganym składzie chemicznym, wytrzymałości i twardości. [2]. W Instytucie Inżynierii Materiałowej prowadzone są badania nad technologią, która jest wynikiem połączenia napawania powierzchni podlegających szybkiemu zużyciu wraz ze sposobem uszlachetniania warstwy wierzchniej poprzez obróbkę cieplno - chemiczną, z przeznaczeniem zarówno do produkcji nowych części, jak i do procesów naprawczych zwaną MULTIPLEX. Jako obszar zastosowania technologii wytypowano szybko zużywające się elementy maszyn o dużych gabarytach i znacznych ubytkach. Ma to swoje uzasadnienie w tym, że zamiast wykonywać cały element jako masywny z materiału droższego można wybrać materiał tańszy, a tylko powierzchnie narażone na szybkie zużycie pokryć materiałem odpornym na przewidywany rodzaj niszczenia. [3-8]. 2. CEL PRACY Celem niniejszej pracy była analiza charakterystyki strukturalnej wykonanych napoin ze stali niskowęglowej niskostopowej gatunku 13CrMo4-5 na podłożu z węglowej stali konstrukcyjnej C45 przy zastosowaniu technologii Multiplex. Badania przeprowadzono na warstwach uzyskanych w wyniku jednokrotnego i dwukrotnego nałożenia napoiny. 158
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. BADANIA WŁASNE Próbki do badań zostały wykonane z prętów stalowych okrągłych gatunku C45 o średnicy 25 mm. i długości 160 mm, na których wykonano napoinę. Do napawania wykorzystano drut spawalniczy firmy ESAB - OK Autrod 13-12 o średnicy 1,0mm. Jest to drut, którego skład chemiczny zbliżony jest do składu stali 13CrMo4-5 (tabeli 1). Tabela 1. Skład chemiczny drutu Table 1. Chemical composition of welding wire Pierwiastek C Cr Mo Mn Si Fe Zawartość [% wag] 0,1 1,1 0,5 1,0 0,7 reszta Zastosowanie stali tego gatunku na materiał napoiny wynika z zamierzonego kompromisu pomiędzy z jednej strony uzyskaniem doskonałej mikro i makrostruktury warstwy napawanej, a z drugiej zaś wprowadzenia do niej pierwiastków stopowych niezbędnych z punktu widzenia obróbki cieplno-chemicznej. Opierając się na kryterium spawalności i określając równoważnik węgla C e według wzoru MIS [9], stal ta uważana jest ze względu na swój skład chemiczny jako gorzej spawalna, a wprowadzone do warstwy między innymi: Cr, Mo, Si pogarszają jej odporność na kruche pękanie. Jednak z drugiej strony, te same pierwiastki w perspektywie stosowania obróbki cie plnochemicznej, są pożądane w celu uzyskania wysokich właściwości. Do realizacji procesu napawania wykorzystano stanowisko do automatycznego napawania wibrostykowego elementów obrotowych oraz zastosowano gaz osłonowy łuku spawalniczego w postaci mieszankę o składzie: 86% Ar, 12% CO 2, 2% O 2. Wcześniej przeprowadzone badania potwierdzają skuteczność stosowanej osłony, spełniającej kryterium stabilności łuku oraz poprawności kształtu i właściwości napoiny. Na rys. 1 przedstawiono strukturę warstwy napawanej oraz strefy wpływu ciepła po jednokrotnym nałożeniu napoiny. a) b) 400 m 200 m Rys. 1. Struktura: napoiny (a), strefy wtopienia (b) próbka napawana jednokrotnie Fig. 1. The structure of a padding weld (a), the line of fusion zone (b) the single time building up sample 159
Na rys. 2 przedstawiono strukturę warstwy napawanej oraz strefy wpływu ciepła po dwukrotnym nałożeniu napoiny. a) b) 400 m 100 m Rys. 2. Struktura: napoiny (a), strefy wtopienia (b) próbka napawana dwukrotnie Fig. 2. The structure of a padding weld (a), the line of fusion zone (b) the double time building up sample Badania mikrotwardości wykonano metodą Vickers a za pomocą mikrotwardościomierza firmy Clemex w celu określenia jej rozkładu w funkcji odległości od powierzchni, przy obciążeniu 0,9807N. Wyniki pomiarów zamieszczone na rys. 3 przedstawiono w taki sposób, aby można było zauważyć wpływ napawania drugiej warstwy na zmianę rozkładu mikrotwardości w napoinie oraz w strefie wpływu ciepła. 160
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 300 280 napawane dwie warstwy napawana jedna warstwa Mikrotwardość HV 0,1 260 240 220 200 linia wtopienia 180 160 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Odległość od powierzchni [ m] Rys. 3. Rozkłady mikrotwardości na przekrojach warstw napawanych Fig. 3. Microhardness distributions in the padding weld cross-sections Najbardziej efektywną drogą podwyższania właściwości użytkowych elementów maszyn i urządzeń jest kształtowanie struktury i składu chemicznego ich warstw wierzchnich. Kształtowanie właściwości warstw uzyskanych po napawaniu realizowano poprzez poddanie ich alternatywnie tanim i nowoczesnym obróbkom azotowania pró ż- niowego, azotonasiarczania gazowego oraz nawęglania próżniowego. Przykładowe mikrostruktury przedstawiono na rys. 4-6. a) b) Rys. 4. Mikrostruktura napoiny po procesie azotowania próżniowego: napoina (a), strefa przypowierzchniowa (b) Fig. 4. The microstructure of a padding weld after vacuum nitriding termochemical treatment: padding weld (a), the near surface zone (b) 161
a) b) Rys. 5. Mikrostruktura napoiny po procesie azotonasiarczania gazowego: napoina (a), strefa przypowierzchniowa (b) Fig. 5. The microstructure of a padding weld after gas sulphonitriding termochemical treatment: padding weld (a), the near surface zone (b) a) b) Rys. 6. Mikrostruktura napoiny po procesie nawęglania próżniowego: napoina (a), strefa przypowierzchniowa (b) Fig. 6. The microstructure of a padding weld after vacuum carburizing termochemical treatment: padding weld (a), the near surface zone (b) 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Uzyskane warstwy poprzez zarówno jednokrotne jak i dwukrotne nałożenie napoiny pozbawione są wad strukturalnych typu: pory, pęknięcia, skupiska zanieczys z- czeń, które są niedopuszczalne w szczególności w częściach maszyn obciążonych c y- klicznie, gdyż potencjalnie mogą stanowić zarodki pęknięć zmęczeniowych. Struktura napoiny zawiera troostyt z jasnymi wydzieleniami ferrytu w układzie kolumnowym zgodnie z kierunkiem najintensywniejszego odprowadzania ciepła natomiast mikrostruktura strefy wtopienia zawiera nieznacznie rozrośnięte ziarna perlitu z ferrytem na granicach ziaren w przypowierzchniowej warstwie materiału rodzimego. Widoczna 162
ARCHIWUM ODLEWNICTWA linia wtopienia jest ciągła i brak jest na całej jej długości miejscowych przerwań w po - staci wypływki materiału rodzimego do napoiny w kierunku powierzchni. W wyniku nałożenia drugiej warstwy nastąpiło rozdrobnienie ziarna w strefie wtopienia i nieznaczne jej odwęglenie. Szerokość otrzymanej w ten sposób napoiny wyniosła ok. 3mm. Twardość uzyskanych warstw w przypadku jednokrotnego napawania wyniosła maksymalnie ok. 280 HV 0,1 dla napoiny oraz 220 HV 0,1 dla rdzenia próbki. Nałożenie drugiej warstwy spowodowało nieznaczne obniżenie mikrotwardości napoiny, co jest wynikiem wymieszania się materiału drutu elektrodowego z materiałem wcześniej wykonanej napoiny. W pobliżu linii wtopienia od strony materiału rodzimego, gdzie ma miejsce nieznaczne odwęglenie i rozdrobnienie ziarna mikrotwardość tej strefy wynosi około 195 HV 0,1. i jest ona niższa nawet od mikrotwardości rdzenia. Strukturę napoiny zawierającej dodatki stopowe jak Cr, Mo, które są zarazem azotkotwórcze, jak i polepszają hartowność, można korzystnie kształtować poprzez przeprowadzenie procesu obróbki cieplno-chemicznej. Budowa strukturalna warstwy azotowanej próżniowo jest charakterystyczna dla przeprowadzonego procesu i składa się ze strefy związków azotkowych ( i ) oraz strefy azotowania wewnętrznego z nielicznymi wydzieleniami azotku. Warstwa azotonasiarczana składa się ze strefy nasiarczania zewnętrznego, następnie strefy związków azotkowych ( i ) z wtrąceniami siarczków FeS oraz strefy azotowania wewnętrznego. W wyniku przeprowadzenia procesu nawęglania próżniowego połączonego z hartowaniem azotem, otrzymano strukturę martenzytyczną warstwy nawęglonej oraz troost y- tyczną w pozostałym obszarze napoiny. 5. WNIOSKI 1. Dobranie optymalnych parametrów napawania pozwoliło na uzyskanie warstw p o- zbawionych wad mikro i makrostrukturalnych. 2. Warstwy charakteryzują się równomiernym wymieszaniem materiału elektrody z materiałem rodzimym. 3. Twardość napoiny po napawaniu pozwala na jej kształtowanie poprzez obróbkę mechaniczną z pominięciem wyżarzania zmiękczającego, co ma istotny wpływ na ostateczny koszt przeprowadzonej regeneracji. 4. Zastosowanie stali gatunku 13CrMo4-5 jako materiał dodatkowy powoduje wprowadzenie do napoiny odpowiednich pierwiastków stopowych takich jak: Cr, Mo, Si uzyskując w ten sposób warstwę stanowiącą doskonałe podłoże pod przewidzianą obróbkę cieplno-chemiczną. 5. Opracowanie technologii regeneracji poprzez napawanie stalą niskowęglową niskostopową gatunku 13CrMo4-5 na podłożę z węglowej stali konstrukcyjnej C45 wraz z obróbką cieplno-chemiczną jest jak najbardziej możliwe z przeznaczeniem wykorzystania nie tylko do napraw różnego rodzaju części maszyn i urządzeń, ale również jako element procesu produkcji tychże części. 163
LITERATURA [1] P. Kula: Inżynieria warstwy wierzchniej. Monografia, PŁ. 2000. [2] A. Klimpel: Napawanie i natryskiwanie cieplne. WNT. Warszawa. 2000. [3] J. Kaczmarek: Nanoszenie warstw o wysokiej twardości metodą napawania. Praca doktorska. Politechnika Łódzka 1987. [4] Z. Haś, J. Kaczmarek: Azotowanie próżniowe napawanych warstw ze stali SW7M na stali 45. Materiały III Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej "Obróbka Powierzchniowa". Częstochowa - Kule. 1996. 91-95. [5] A. Krasiński: Regeneracja części maszyn i urządzeń poprzez napawanie niskowęglową stalą niskostopową wraz z obróbką cieplno-chemiczną po napawaniu. Praca doktorska. Politechnika Łódzka 2003. [6] A. Krasiński, P. Kula, M. Górecki: Warstwy napawane po nawęglaniu próżniowym dla potrzeb regeneracji części maszyn i pojazdów. Inżynieria Materiałowa 2003 Nr 6, 724-726. [7] A. Krasiński, L. Klimek, J. Kaczmarek: Regeneracja części maszyn metodą MUL- TIPLEX. V Krajowa Konferencja Materiałograficzna Materiałografia 2005 Puck, 20-22 kwietnia 2005, 35-44. [8] L. Klimek, A. Krasiński: Badania mikroskopowe regeneracyjnej warstwy napawanej ze stali 41CrAlMo7 wykonanej w technologii MULTIPLEX. Archiwum Odlewnictwa 2005 Nr 17, 141-148. [9] W. Wojciechowski: Ocena napawalności stali stopowych. Monografia 219. Kraków 1997. Powyższa publikacja powstała w oparciu o prace realizowane w ramach projektu badawczego nr 3T08C05026 Opracowanie i przygotowanie do wykorzystania w przedsiębiorstwach małej i średniej wielkości technologii zwiększenia trwałości elementów silnie obciążonych, regenerowanych lub odtwarzanych finansowanego przez Komitet Badań Naukowych. MICROSCOPY EXAMINATIONS OF REBUILDING PADDING WELD MADE OF MULTIPLEX TECHNOLOGY WITH USE 13CRMO4-5 STEEL SUMMARY The following elaboration includes the results of microstructure investigation of the obtained layers in the consequence of combination the surfacing by welding tec h- nology with use of low-carbon alloy steel and afterwards the thermochemical treatment. Among variety of materials used in regeneration as padding weld the steel 13CrMo4-5 should be noticed. After rebuilding by welding microstructural investigation was pe r- formed. The padding weld and the near surface zone has been investigated using acce s- sible research methods in Materials Science Institute at Technical University of Lodz. Then termochemical treatment like: vacuum nitriding NITROVAC, gas sulphonitriding SULFONIT, vacuum caburizing FINE CARB were used. 164 Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik