23/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 KRYSTALIZACJA PRZETOPIONEJ WARSTWY WIERZCHNIEJ STALI Z POWŁOKĄ CERAMICZNĄ A. DUDEK 1, Z. NITKIEWICZ 2, H. STOKŁOSA 3 Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Materiałowej, ul. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa STRESZCZENIE W ramach pracy przedstawiono mikrostrukturalną analizę próbek z powłoką ceramiczną TiO 2, które zostały przetopione przy użyciu łuku plazmowego. Key words: coatings, plasma beam, TiO 2 1.WSTĘP Inżynieria Materiałowa jako dyscyplina naukowa obejmuje między innymi procesy wytwarzania warstw powierzchniowych. Obejmuje ona także wszystkie zagadnienia, które dotyczą konstruowania oraz badania warstw wierzchnich o innych niż rdzeń właściwościach [1-10]. Mając na uwadze, że producenci części maszyn i urządzeń dążą do zwiększenia parametrów pracy, zrozumiałym wydaje się fakt jednoczesnego poszukiwania coraz to doskonalszych materiałów. Nie mniej ważny wydaje się również poszukiwanie coraz to nowszych metod wytwarzania i regeneracji warstw wierzchnich, uwzględniających jednocześnie oczywisty aspekt ekonomiczny. Warstwa wierzchnia odgrywa w elemencie bardzo ważną rolę. Stawia się jej bowiem bardzo wysokie wymagania związane ze zwiększeniem trwałości eksploatacyjnej części maszyn i narzędzi przeznaczonych do pracy w warunkach tarcia, obciążeń zmęczeniowych oraz przy korozyjnym oddziaływaniu środowiska. Jedną z metod wytwarzania na powierzchni elementu powłok jest proces natryskiwania, realizowany przy pomocy specjalnego palnika służącego do stapiania 1 dr inż., dudek@mim.pcz.czest.pl 2 prof. dr hab. inż., nitkiew@mim.pcz.czest.pl 3 mgr inż.
159 i natryskiwania nakładanych materiałów. Cząstki materiału wyrzucane z palnika z dużą prędkością, osiadając na powierzchni, tworzą warstwę [11]. Powłoki natryskiwane posiadają zazwyczaj niską adhezję do powierzchni i małą spójność, dlatego też prowadzone badania mają na celu przebudowę wytworzonej powłoki. Do tego celu, w ostatnich latach, wykorzystuje się między innymi skoncentrowane źródła energii, przy pomocy których wykonuje się obróbkę powierzchniową. Dzięki możliwości koncentracji ogromnych gęstości mocy na danych fragmentach obrabianych elementów w bardzo krótkim czasie, obróbka powierzchniowa z wykorzystaniem skoncentrowanych źródeł energii, takich jak laser, plazma, wiązka elektronowa, umożliwia uzyskanie struktur odmiennych od równowagowych o wysokich własnościach użytkowych. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Materiał do badań stanowiła stal 40Cr4, przeznaczona do ulepszania cieplnego oraz obróbki powierzchniowej, na której powierzchnię naniesiono metodą natrysku plazmowego 100 i 200µm powłokę ceramiczną TiO 2. Powierzchnie próbek zostały przetopione łukiem plazmy z wykorzystaniem następujących parametrów prądowo-napięciowych: 10-60A, prędkość przesuwu źródła 220 mm/s, odległość plazmotronu od powierzchni obrabianego elementu 2mm. Użyte podczas eksperymentu źródło energii, jest zawężonym mechanicznie łukiem elektrycznym, jarzącym się w zjonizowanym gazie. Łuk zasilany jest prądem stałym i jarzy się pomiędzy materiałem przetapianym a elektrodą wolframową. Temperatura łuku plazmowego wynosi około 20,000 K. 3. PRZEBIEG BADAŃ Do rejestracji i analizy kształtu łuku został wykorzystany system wizyjny dla pomiarów wysokotemperaturowych, sterowany komputerowo. Zadaniem systemy było m.in. zarejestrowanie obrazu łuku w postaci cyfrowej, wstępne przetworzenie obrazu, filtracja i wyostrzenie, lokalizacja w obrazie anody i pomiar jej parametrów geometrycznych oraz badanie parametrów geometrycznych łuku w otoczeniu anody w zależności od parametrów procesu. Zarejestrowany obraz 3D łuku plazmowego przedstawia rysunek 1. Jak wynika z prezentowanego rysunku, rozkład natężenia promieniowania ma charakter nieregularny.
160 Rys.1.Profil rozkładu natężenia promieniowania w łuku plazmy. Fig.1. The profile of multimodal plasma beam. Na wykonanych zgładach przeprowadzono badania metalograficzne wykorzystując mikroskop optyczny Neophot 32 oraz mikroskop skaningowy JEOL- 5400 z mikroanalizatorem rentgenowskim EDX. 4. WYNIKI BADAŃ Idea doboru parametrów procesu przetapiania miała na celu przeprowadzenie szerokiej modyfikacji warstwy wierzchniej próbek badawczych, począwszy od nadtopienia samej powłoki (z jednoczesną przemianą fazową rdzenia w stanie stałym), aż po przetopienie jej wraz z materiałem podłoża (stopowanie). Przemieszczając źródło ciepła wzdłuż określonej trajektorii, przemieszczane jest również jeziorko, na czole którego materiał ulega roztopieniu natomiast na jego końcu, krystalizuje. Powierzchnię jeziorka (na styku ciecz-faza stała) przed rozpoczęciem procesu krystalizacji tworzą nadtopione kryształy przetapianego materiału. Powierzchnię taką wystarczy nieznacznie przechłodzić, względem temperatury równowagowej, aby proces krystalizacji się rozpoczął. Krystalizacja materiału przetopionego przebiega w warunkach specyficznych, które w znacznym stopniu odbiegają od stanu równowagi. Cechy charakterystyczne krystalizacji przetopionego jeziorka, to mała objętość stopionego materiału, duża prędkość krystalizacji określona przez prędkość przesuwu źródła oraz duże gradienty temperatury. Mając na uwadze omawiane warunki, przeprowadzono mikrostrukturalną analizę przetopionych stref obecnych w materiale.
161 Strefa zahartowana ze stanu stałego Strefa nagrzana poniżej temp. A c1 Struktura rdzenia Rys.2. Mikrostruktura ścieżki zahartowanej ze stanu stałego, 30A, pow. 30x. Fig.2. The optical micrograph of surface layers, 30A, magn. 30x. W zależności od parametrów prądowo-napięciowych otrzymano dwa rodzaje zmian (stref) w przetopionych próbkach. Badania mikrostrukturalne próbek, które zostały przetopione łukiem plazmy o natężeniu prądu od 10A-30A przeprowadzone na zgładach poprzecznych ujawniły iż przetopieniu uległa jedynie część powłoki TiO 2 natomiast materiał rdzenia składał się z dwóch stref (rys.2): materiału nagrzanego do zakresu temperatur powyżej A c3 o strukturze martenzytycznej oraz materiału nagrzanego poniżej A 1. Próbki, które zostały przetopione łukiem plazmy o natężeniu prądu od 40-60A uległy stopowaniu, czyli uprzednio nałożona powłoka została przetopiona wraz z podłożem. Próbki te posiadały następujące strefy (rys.3): strefę materiału przetopionego i zahartowanego, strefę materiału nagrzanego do zakresu temperatur A 1 i solidusu, strefę materiału nagrzanego poniżej temperatury A 1. Badania struktury krystalicznej uzyskanej w wyniku procesu stopowania wykazały, iż składa się ona z bardzo drobnych kryształów kolumnowych zorientowanych zgodnie z kierunkami odprowadzenia ciepła. Kryształy kolumnowe narastały w przeciwnym kierunku do odprowadzania ciepła, prostopadle do linii wtopienia, czyli do chwilowego frontu krystalizacji. Strefa przetopiona Strefa Wpływu Ciepła Struktura rdzenia Rys.3. Mikrostruktura ścieżki przetopienia, zaznaczonymi strefami, 60A, pow. 30x. Fig.3. The optical micrograph of surface layers, 60A, magn. 30x.
162 Biorąc pod uwagę fakt, że ujawniony front krystalizacji jest funkcją gradientu temperatury oraz szybkości procesu krzepnięcia, dokonano dalszej, dogłębnej analizy mikrostruktury na powierzchni badanych próbek (w ścieżce przetopienia oraz tzw. wypływce) (rys.4,5). wypływka Rys.4. Makroskopowy wygląd ścieżek przetopienia, 60A. Fig.4. The structure of remelting layer, 60A. Rys.5. Wygląd ścieżki przetopienia, pow.750x. Fig.5. The structure of the remelting path, magn. 750x. W samej ścieżce przetopienia ujawniono strukturę komórkowo dendrytyczną. Podczas procesu przetapiania, duża gęstość źródła powoduje, że pewna część fazy ciekłej ulega wydmuchaniu, w skutek czego po obu stronach ścieżki przetopienia powstają wypływki, w których ujawniono znaczną zawartość Ti (rys.4,5). Mikrostruktura tej części ścieżki przetopienia składała się z eutektyki iglastej. Problem braku przewodzenia powłoki tlenkowej w dalszych pracach eksperymentalnych planuje się eliminować poprzez dodatek do proszku TiO 2 proszku metalicznego lub pokrycie powłoki cienką warstwą materiału przewodzącego. 5. PODSUMOWANIE Przetopienie powierzchni próbek łukiem plazmowym przyczyniło się do uzyskania szerokiej modyfikacji warstwy wierzchniej, w zależności od użytych parametrów prądowo-napięciowych. Uzyskano zagęszczenie powłoki poprzez jej przetopienie, hartowanie bezprzetopieniowe materiału rdzenia oraz stopowanie powłoki wraz
163 z materiałem podłoża. W ścieżce przetopienia ujawniono strukturę komórkowodendrytyczną, natomiast w powstałych wypływkach iglastą eutektykę. Celem poprawy gładkości przetopionej powierzchni (likwidacji wypływek) konieczny wydaje się dodanie do TiO 2 metalicznych proszków przewodzących. LITERATURA [1] Krucznin A.M., Sawicki A.: Podstawy projektowania układów dynamicznych z łukiem elektrycznym. Wyd. PCz. Częstochowa, 2004 [2] Nitkiewicz Z.,: Wykorzystanie łukowych źródeł plazmy w inżynierii powierzchni. Wyd. PCz, Częstochowa, 2001 [3] Dudek A., Nitkiewicz Z., Stokłosa H.: Analiza kształtu łuku podczas procesu przetapiania. Inżynieria Materiałowa. 5, 2005 [4] Burakowski T., Wierzchoń T. Inżynieria powierzchni metali. WNT,Warszawa, 1995 [5] Wendler B.: Wytwarzanie pojedynczych i kompozytowych warstw węglikowych, węglikoazotków i azotków tytanu na podłożach stalowych metodą pośrednią. Obróbka Powierzchniowa, Częstochowa, 1992, s. 149-153 [6] Smolik J., Miernik K., Walkowicz J., Bujak J.: Eksploatacyjne własności powłok TiN, TiC i Ti(C,N). Obróbka powierzchniowa, Częstochowa, 1992, s.149-153 [7] Singh Sidhu B., Puri D., Prakash S.: Mechanical and metallurgical properties of plasma sprayed and laser remelted Ni 20Cr and Stellite-6 coatings. Journal of Materials Processing Technology 159, 2005 [8] Cui H., Geng H., Tian X., Chen C., Zhao P.: Laser surface remelting and resolidifying process of Zn 27 wt.% Al alloy. Materials Science and Engineering A323, 2002 [9] Kusiński J.: Zmiany struktury i własności mechanicznych stali pod wpływem obróbki laserowej. Kraków, 1989 [10] Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej. Wyd. Naukowe Akapit, Kraków, 2000 [11] Morel S.: Powłoki natryskiwane cieplnie, Częstochowa 1997 Praca zrealizowana w ramach grantu 3T08C 062 26 THE CRYSTALLIZATION OF THE REMELTING SURFACE LAYER OF STEEL WITH CERAMIC LAYER SUMMARY In this paper, a microstructure of the specimens with ceramic layers TiO 2 is presented. The surface layer was remelted by plasma beam. Recenzował Prof. Janusz Braszczyński