15/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA MIKROSKOPOWE REGENERACYJNEJ WARSTWY NAPAWANEJ ZE STALI 41CrAlMo7 WYKONANEJ W TECHNOLOGII MULTIPLEX. L. KLIMEK 1, A. KRASIŃSKI 2 Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul Stefanowskiego 1, 90-924 Łódź STRESZCZENIE Niniejsza praca zawiera wyniki badań charakterystyki strukturalnej warstwy otrzymanej w wyniku zastosowania technologii MULTIPLEX łączącej w sobie metodę napawania oraz obróbki cieplno-chemicznej. Materiał napoiny stanowiła stal gatunku 41CrAlMo7, którą w dalszej kolejności poddano procesowi azotowania próżniowego. Szczegółowo przebadano napoinę oraz strefę przypowierzchniową wykorzystując dostępny asortyment technik instrumentalnych i metod badawczych będący na wyposażeniu Instytutu Inżynierii Materiałowej PŁ. Wykonano badania rozkładu mikrotwardości oraz rozkładu liniowego wybranych pierwiastków na przekroju warstwy napawanej. W pracy zastosowano wibrujący styk gwarantujący poprawną makroi mikrostrukturę napoiny. Key words: rebuilding by welding, cladding, microstructure, padding weld, vacuum nitriding 1. WSTĘP Na obecnym etapie rozwoju techniki szczególnego znaczenia nabiera niezawodność i trwałość maszyn, urządzeń i narzędzi. Te podstawowe cechy eksploatacyjne każdej maszyny, urządzenia czy narzędzia zależą w głównej mierze od właściwości ich warstw wierzchnich. We współczesnej technologii budowy maszyn 1 dr inż. Leszek Klimek, kemilk@p.lodz.pl 2 dr inż. Adam Krasiński, adamkras@p.lodz.pl 141
są szeroko stosowane różnego rodzaju utwardzone warstwy wierzchnie, otrzymywane 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 Obecnie coraz częściej wykorzystuje się techniki spawalnicze, a zastosowanie techniki napawania do regeneracji szybko zużywających się części stanowi źródło dużych oszczędności materiałowych. Sterując doborem odpowiedniej metody nakładania warstwy, jej parametrami energetycznymi, dobierając materiał lub materiały dodatkowe oraz sposób obróbki wykańczającej jesteśmy w stanie wytworzyć przedmiot o wcześniej określonych i zamierzonych właściwościach użytkowych dla danych warunków eksploatacji [2-3]. Stąd więc zrodziła się idea regeneracji zwana 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. Zastosowanie napawania do produkcji nowych części maszyn lub do procesów naprawczych umożliwia dalsze uszlachetnianie warstwy wierzchniej drogą obróbki cieplnej jak również cieplno-chemicznej, co stanowi istotę opracowanej technologii [4-8]. 142 2. CEL PRACY Celem niniejszej pracy była analiza charakterystyki strukturalnej wykonanych napoin ze stali konstrukcyjnej stopowej do azotowania gatunku 41CrAlMo7 na podłożu z węglowej stali konstrukcyjnej C45 przed i po przeprowadzonym procesie azotowania próżniowego metodą NITROVAC. 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 ze stali konstrukcyjnej stopowej do azotowania gatunku 41CrAlMo7 o średnicy 1,2 mm. Skład chemiczny drutu przedstawiony jest w tabeli 1. Wybór materiału do napawania budził obawy, gdyż opierając się na kryterium spawalności i określając równoważnik węgla C e według wzoru MIS, stal ta uważana jest ze względu na swój skład chemiczny jako niespawalna, a wprowadzone do warstwy między
ARCHIWUM ODLEWNICTWA innymi: Cr, Mo, Si pogarszają jej odporność na kruche pękanie. Jednak z drugiej strony, te same pierwiastki w perspektywie stosowania obróbki cieplno-chemicznej, 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 czystego argonu. Wcześniej przeprowadzone badania potwierdzają skuteczność stosowanej osłony, spełniającej kryterium stabilności łuku oraz poprawności kształtu i właściwości napoiny. Warstwy przeznaczone do badań wykonano poprzez dwukrotne nałożenie napoiny. Po napawaniu próbki studzone były na powietrzu. Dalszym etapem technologii MULTIPLEX było przeprowadzenie obróbki cieplno-chemicznej azotowania próżniowego metodą NITROVAC. Tabela 1. Skład chemiczny drutu Table 1. Chemical composition of welding wire Pierwiastek C Cr Al Mo Mn Si Fe Zawartość [% wag] 0,40 1,45 0,92 0,21 0,42 0,33 reszta W procesie napawania utwardzającego ważnym zagadnieniem jest nie tylko udział materiału rodzimego w napoinie, decydującym o jej składzie chemicznym, ale również równomierne wymieszanie materiału elektrody z materiałem rodzimym, decydujące o jednorodności jej struktury, dlatego też wykonano rozkłady liniowe chromu i aluminium na przekroju warstw napawanych oraz rozkład liniowy azotu w strefie przypowierzchniowej warstwy po obróbce cieplno-chemicznej. Analizę rozkładu liniowego pierwiastków w napoinie wykonano wykorzystując elektronowy mikroskop skaningowy (HITACHI S3000N) wyposażony w przystawkę EDX firmy NORAN. Obserwacje mikroskopowe wykonywano w świetle elektronów wtórnych (SE). Na rys. 1 przedstawiono strukturę warstwy napawanej wraz z rozkładem liniowym pierwiastków nasycających, natomiast na rys. 2 strukturę napoiny oraz strefę wtopienia przed procesem azotowania. 143
b) a) c) Rys. 1. Mikrostruktura (a) i rozkłady liniowe chromu (b) i aluminium (c) w napoinie przed obróbką cieplno-chemiczną. Fig. 1. Microstructure (a) linear distribution of chromium (b) and aluminium (c) in the padding weld before thermochemical treatment a) b) Rys. 2. Struktura: napoiny (a), strefy wtopienia (b). Fig. 2. The structure of a padding weld (a), the line of fusion zone (b). 144
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na rys. 3 przedstawiono strukturę warstwy napawanej wraz z rozkładem liniowym azotu po procesie azotowania próżniowego. a) N b) Rys. 3 Mikrostruktura napoiny (a) i rozkład liniowy azotu w strefie przypowierzchniowej warstwy (b) po obróbce cieplno-chemicznej. Fig. 3. The microstructure of a padding weld (a), linear distribution of nitrogen in the near surface zone (b) after thermochemical treatment. 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. Na rys. 4 zamieszczono wyniki pomiarów mikrotwardości uzyskanych warstw napawanych przed i po obróbce cieplno - chemicznej. 145
1400 1200 próbka napawana próbka napawana i azotowana Mikrotwardość HV 0,1 1000 800 600 linia wtopienia 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 Odległość od powierzchni [ m] Rys. 4. Rozkłady mikrotwardości na przekrojach warstw napawanych. Fig. 4. Microhardness distributions in the padding weld cross-sections. 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Szerokość warstwy napawanej uzyskana w wyniku dwukrotnego nałożenia napoiny wyniosła ok. 2,5 mm. W strukturze brak jest widocznych wad typu: pory, pęknięcia, skupiska zanieczyszczeń, które są niedopuszczalne w szczególności w częściach maszyn obciążonych cyklicznie, gdyż potencjalnie mogą stanowić zarodki pęknięć zmęczeniowych. Mikrostrukturę napoiny stanowi bainit. W pobliżu granicy napoina-materiał rodzimy zaobserwowano od strony rdzenia próbki wąski pas o strukturze perlitycznej. Rozkłady pierwiastków stopowych w strefie wtopienia charakteryzują się wyraźnie widocznym, aczkolwiek łagodnym przejściem. 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. Jasny obszar w strefie przypowierzchniowej widoczny na rys. 3a oraz zwiększona ilość azotu widoczna na rys.3b odpowiada szerokości strefy związków azotkowych wynoszącej ok. 150 m. Mikrotwardość uzyskanych warstw po napawaniu jest większa od mikrotwardości materiału rodzimego o około 130 HV 0,1 i maksymalnie wyniosła 370 HV 0,1. Jej rozkład charakteryzuje się ostrym spadkiem w okolicach linii wtopienia. 146
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Warstwa jaką otrzymaliśmy po napawaniu daje się kształtować na drodze obróbki mechanicznej bez konieczności stosowania wcześniej odpowiednich zabiegów cieplnych, co ma istotny wpływ na ostateczny koszt przeprowadzonej regeneracji. W wyniku przeprowadzonej obróbki cieplno-chemicznej napawanych warstw nastąpił znaczny wzrost mikrotwardości w strefie przypowierzchniowej. Średnia maksymalna mikrotwardość dla napoiny wynosi 1155 HV 0,1. Nie zaobserwowano znaczących zmian mikrotwardości za strefą azotowania wewnętrznego w stosunku do próbki nie obrabianej cieplno-chemicznie. 5. WNIOSKI 1. Dobranie optymalnych parametrów napawania pozwoliło na uzyskanie warstw pozbawionych 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. 4. Zastosowanie stali gatunku 41CrAlMo7 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. Przeprowadzenie obróbki cieplno-chemicznej azotowania próżniowego warstw napawanych spowodowało wielokrotne zwiększenie twardości w strefie przypowierzchniowej. 6. Opracowanie technologii regeneracji poprzez napawanie stalą konstrukcyjną stopową do azotowania gatunku 41CrAlMo7 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. LITERATURA [1] Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej. Monografia, PŁ. 2000. [2] Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. WNT. Warszawa. 2000. [3] Wojciechowski W.: Ocena napawalności stali stopowych. Monografia 219. Kraków 1997. [4] Kaczmarek J.: Nanoszenie warstw o wysokiej twardości metodą napawania. Praca doktorska. Politechnika Łódzka 1987. [5] Haś Z., Kaczmarek J.: Azotowanie próżniowe napawanych warstw ze stali SW7M na stali 45. Materiały III Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej "Obróbka Powierzchniowa". Częstochowa - Kule. 1996. 91-95. 147
[6] Krasiński A.: Regeneracja części maszyn i urządzeń poprzez napawanie niskowęglową stalą niskostopową wraz z obróbką cieplno -chemiczną po napawaniu. Praca doktorska. Politechnika Łódzka 2003. [7] Krasiński A., Kula P., Górecki M.: Warstwy napawane po nawęglaniu próżniowym dla potrzeb regeneracji części maszyn i pojazdów. Inżynieria Materiałowa 2003 Nr 6, 724-726 [8] Krasiński A., Klimek L., Kaczmarek J.: Regeneracja części maszyn metodą MULTIPLEX. V Krajowa Konferencja Materiałograficzna Materiałografia 2005 Puck, 20-22 kwietnia 2005, 35-44 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 41CrAlMo7 STEEL SUMMARY The following elaboration includes the results of microstructure investigation of the obtained layers in the consequence of using MULTIPLEX technology connecting rebuilding by welding with termochemical treatment. The padding weld was made of 41CrAlMo7 steel followed by vacuum nitriding. The padding weld and the near surface zone has been investigated using accessible research methods in Materials Science Institute at Technical University of Lodz.. The microhardness distribution and linear distribution of chosen elements in the cross-section of padding weld has been investigated. In this work the vibrating contact has been applied which guarantees the proper macro and microstructure of padding weld. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 148