własności tribologiczne powłok stellitowych

2-2009
TRIBOLOGIA
191
Norbert RADEK*, Bogdan ANTOSZEWSKI*
WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK
STELLITOWYCH NANOSZONYCH
ELEKTROISKROWO
TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF THE STELLITE
ELECTRO-SPARK DEPOSITED COATINGS
Słowa kluczowe:
obróbka elektroiskrowa, powłoka, tribologia
Key-words:
electro-spark deposition, coating, tribology
Streszczenie
W pracy badano właściwości powłok nanoszonych elektroiskrowo.
Ocenę właściwości powłok przeprowadzono na podstawie obserwacji
mikrostruktury, badań odporności korozyjnej oraz pomiarów siły tarcia.
Badania przeprowadzono wykorzystując stellit jako materiał powłokowy (anodę) nakładane elektroiskrowo na próbki ze stali C45 (katody).
*
Katedra Inżynierii Eksploatacji; Centrum Laserowych Technologii Metali; Politechnika Świętokrzyska; Aleja 1000-lecia P.P. 7; 25-314 Kielce; tel. (0-41) 34-24-518;
tel. (0-41) 34-24-539; fax. (0-41) 34-24-504; e-mail: [email protected]; e-mail:
[email protected]
192
TRIBOLOGIA
2-2009
Do naniesienia powłok zastosowano urządzenia EIL-8A. Powłoki tego
typu mogą spełniać funkcje odporności na zużycie oraz odporności na
korozję.
WPROWADZENIE
Wśród wielu metod modyfikacji warstwy wierzchniej znaczące miejsce
zajmują technologie nanoszenia powłok metalicznych o odmiennych,
w stosunku do materiału podłoża właściwościach użytkowych. Jedną
z nich jest metoda elektroiskrowa stosowana w różnych gałęziach przemysłu. Znalazła ona wraz z licznymi modyfikacjami trwałe miejsce w obszarze obróbek powierzchniowych.
Procesy wytwarzania powłok na elementach metalowych, do których
należy obróbka elektroiskrowa, związane są z transportem masy i energii
oraz reakcjami: chemicznymi, elektrochemicznymi i elektrotermicznymi,
które im towarzyszą [L. 1÷2]. Współcześnie stosowane są różne odmiany
obróbki elektroiskrowej spełniające standardy wytwarzania powłok,
a także kształtowania mikrogeometrii powierzchni [L. 3÷6].
Zastosowanie powłok nanoszonych metodą elektroiskrową dotyczy
dwóch grup zagadnień:
1. Ochrona elementów nowych,
2. Przywracanie własności elementom zużytym.
O pozycji obróbki elektroiskrowej wśród technik wywarzania warstw
powierzchniowych świadczą liczne zastosowania przemysłowe (począwszy od twardych powłok na krawędziach tnących narzędzi skrawających,
aż do rozwiniętych struktur na powierzchniach implantów) i nowoczesne
konstrukcje urządzeń (od urządzeń ręcznych do zrobotyzowanych systemów obróbki elektroiskrowej). W samych Stanach Zjednoczonych badania nad tą technologią prowadzone są przez instytuty pracujące dla NASA, AIR FORCE, US NAVY [L. 7÷8].
Cechą charakterystyczną powłok nanoszonych elektroiskrowo jest to,
że mają one specyficzną, nietrawiącą się strukturę – pozostają białe. Warstwa wierzchnia kształtowana jest w warunkach lokalnego oddziaływania
wysokiej temperatury i dużych nacisków. Wartości podstawowych parametrów obróbki elektroerozyjnej są następujące [L. 9]:
• ciśnienie fali uderzeniowej od iskry elektrycznej wynosi (2÷7)∗103 GPa,
• temperatura osiąga wartości rzędu (5÷40)∗103 °C.
2-2009
TRIBOLOGIA
193
W pracy przedstawiono badania eksperymentalne powłok stellitowych naniesionych elektroiskrowo. Ocenę właściwości powłok przeprowadzono na podstawie obserwacji mikrostruktury, pomiarów mikrotwardości oraz badań tribologicznych i odporności korozyjnej.
MATERIAŁY I PARAMETRY OBRÓBKI
Przedmiotem badań były powłoki nakładane elektrodą stellitową
o przekroju 3 x 4 mm (anoda) metodą elektroiskrową na podłoże ze
stali C45 (katoda). Skład chemiczny elektrody stellitowej przedstawiono w Tabeli 1.
Do nanoszenia powłok elektroiskrowych użyto urządzenie produkcji
ukraińskiej, model EIL-8A. Opierając się na doświadczeniach własnych
oraz zaleceniach producenta urządzenia przyjęto następujące parametry
nanoszenia powłok elektroiskrowych:
• napięcie U = 230 V,
• pojemność kondensatorów C = 300 µF,
• natężenie prądu I = 2,1 A.
Tabela 1. Skład chemiczny elektrody stellitowej
Table 1. Chemical composition of stellite electrode
Pierwiastki
C
Cr
Mn
Fe
Co
W
Zawartość %
7,0
56,0
1,0
0,6
25,0
10,4
ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Analiza morfologii powłok
Analizę mikrostruktury powłok stellitowych przeprowadzono z użyciem
elektronowego mikroskopu skaningowego Joel JSM-5400.
Na fotografii (Rys. 1a) przedstawiono przykładowy widok mikrostruktury powłoki stellitowej naniesionej elektroiskrowo. W oparciu
o uzyskane wyniki stwierdzono, że grubość uzyskanej warstwy wynosi
od 10÷15 µm, natomiast zasięg strefy wpływu ciepła (SWC) w głąb materiału podłoża ok. 15÷20 µm. Na przedstawionej fotografii mikrostruktury (Rys. 1a) widoczna jest wyraźna granica pomiędzy powłoką a pod-
194
TRIBOLOGIA
2-2009
łożem. Ponadto na fotografii (Rys. 1a) można zaobserwować, że powłokę cechuje duża ciągłość w grubości warstwy oraz brak porów i mikropęknięć, co może świadczyć o optymalnym doborze parametrów procesu.
Analiza liniowa (Rys. 1b) powłoki stellitowej wykazała nierównomierny rozkład pierwiastków w tej powłoce. Można wyróżnić strefy,
w których występują znaczne ilości W, Co oraz Cr. Ponadto przebiegi
rozkładu Fe oraz Co mają typowy charakter dla połączenia dyfuzyjnego.
W badanej powłoce mamy do czynienia z równomiernym rozłożeniem
składników.
Rys. 1. Mikrostruktura (a) i rozkład liniowy pierwiastków (b) w powłoce stellitowej nałożonej elektroiskrowo
Fig. 1. Microstructure (a) and linear distribution of elements (b) in the stellite coating
BADANIA ODPORNOŚCI KOROZYJNEJ
Pomiary odporności korozyjnej zostały przeprowadzone za pomocą
skomputeryzowanego zestawu do badań elektrochemicznych Atlas’99
firmy Atlas-Sollich. Pomiary przeprowadzono metodą potencjodynamiczną. Metoda ta należy do najbardziej rozpowszechnionych i nowoczesnych badań elektrochemicznych.
Krzywe polaryzacji katodowej i anodowej wykonano polaryzując
próbki z szybkością zmian potencjału wynoszącą 0,2 mV/s (w obszarze
±200 mV od potencjału korozyjnego) oraz 0,4 mV/s w obszarze wyższych potencjałów. Próbki z wyodrębnionym obszarem o średnicy 10 mm
2-2009
TRIBOLOGIA
195
polaryzowano do potencjału 500 mV. Krzywe polaryzacji wykonano po
24 godzinach ekspozycji w testowanym roztworze (3,5% NaCl) w celu
ustalenia się potencjału korozyjnego. Badania wykonano w temperaturze
pokojowej – 21°C ±1°C. Wykres krzywej polaryzacji powłoki stellitowej
przedstawiono na Rysunku 2. Charakterystyczne wartości elektrochemiczne badanych materiałów przedstawiono w Tabeli 2.
Tabela 2. Wartości gęstości prądu i potencjału korozyjnego badanych próbek
Table 2. Current density and corrosion potential of the materials tested
Badany
materiał
Gęstość prądu korozyjnego
Ik [µA/cm2]
Potencjał korozyjny
EKOR [mV]
C45
112 ± 17,8%
-458
C45/stellit
12,7 ± 5,4%
-594
Gęstość prądu, µA/cm2
100000
10000
1000
100
10
1
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
Potencjał, mV
Rys. 2. Krzywa polaryzacji powłoki stellitowej
Fig. 2. Curves of the satellite coating polarization
Gęstość prądu korozyjnego powłoki stellitowej wyniosła Ik =
= 12,7 µA/cm2, zaś materiału podłoża (stal C45) Ik = 112 µA/cm2. Powłoka tego typu spowodowała wzrost odporności korozyjnej około
9 razy większy w stosunku do materiału wyjściowego. Ma to związek
z dużą zawartością chromu (56%) w elektrodzie stellitowej oraz brakiem mikropęknięć i porów w powłoce stellitowej.
196
TRIBOLOGIA
2-2009
BADANIA TRIBOLOGICZNE
Badania oporów tarcia (tarcie technicznie suche) przeprowadzono na
testerze tribologicznym T-01M typu trzpień-tarcza. Jako próbki stosowano pierścienie ze stali węglowej wyższej jakości C45, na które naniesiono
elektroiskrowo powłoki stellitowe. Przeciwpróbką była kulka o średnicy
φ4 mm wykonana ze stali 100Cr6.
Badania na testerze przeprowadzono przy następujących parametrach
tarcia:
• prędkość liniowa V = 1 m/s,
• czas próby t = 3600 s,
• zakres zmian obciążenia Q = 4,9 N; 9,8 N; 14,7 N.
Na przykładowym wykresie (Rys. 3) przedstawiony jest przebieg siły
tarcia w funkcji czasu próby przy obciążeniu 9,8 N.
Podczas tarcia technicznie suchego badanych powłok nastąpiło przekształcenie technologicznej warstwy powierzchniowej (TWP) w eksploatacyjną warstwę powierzchniową (EWP). Efekt ten nastąpił głównie na
skutek nacisków i prędkości ślizgania oraz oddziaływania atmosfery otoczenia bliskiego z badaną powierzchnią. Obserwowano stabilizację stanu
przeciwzużyciowej warstwy powierzchniowej (PWP).
Na przebiegu (Rys. 3) można zaobserwować, że stabilizacja siły
tarcia następuje po upływie 500 sekund, a wartość jej oscyluje na poziomie 7,1÷7,2 N. Średnie wartości sił tarcia przedstawiono na wykresie (Rys. 4).
9
8
7
Siła tarcia, N
6
5
stellit - Q = 9,8 N
4
3
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000
Czas, s
Rys. 3. Wykres zmian siły tarcia w funkcji czasu
Fig. 3. The diagram of friction force shifts in function time
2-2009
TRIBOLOGIA
197
Średnia wartość siły tarcia, N
12
10
10
6,8
8
6
3,65
4
2
0
4,9
9,8
14,7
Obciążenie, N
Rys. 4. Średnie wartości sił tarcia
Fig. 4. The average values of friction forces
POMIARY MIKROTWARDOŚCI
Pomiary mikrotwardości wykonano metodą Vickersa, stosując obciążenie
40 G. Odciski penetratorem wykonano na zgładach prostopadłych
w trzech strefach: w powłoce (warstwie białej), w strefie wpływu ciepła
(SWC) oraz w materiale rodzimym. Wyniki pomiarów mikrotwardości
dla powłok stellitowych naniesionych obróbką elektroiskrową przedstawiono na wykresie (Rys. 5).
Mikrotwardość HV0,04
600
492
500
400
284
300
C45/stellit
178
200
100
0
powłoka
SWC
podłoże
Rys. 5. Wyniki pomiarów mikrotwardości powłoki stellitowej
Fig. 5. Results of the microhardness tests for the satellite coating
Zastosowanie obróbki elektroiskrowej spowodowało zmiany mikrotwardości w obrabianym materiale. Mikrotwardość materiału podłoża po
obróbce elektroiskrowej wynosiła średnio około 178 HV0,04 (taka samą
198
TRIBOLOGIA
2-2009
wartość mikrotwardości miał materiał w stanie wyjściowym). Przy nakładaniu metodą elektroiskrową powłok stellitowych uzyskano znaczny
wzrost mikrotwardości nałożonej warstwy w stosunku do mikrotwardości
materiału podłoża. Powłoka stellitowa miała średnią mikrotwardość
492 HV0,04 (nastąpił wzrost mikrotwardości średnio o 176% w stosunku
do mikrotwardości materiału podłoża). Mikrotwardość SWC po obróbce
elektroiskrowej wzrosła o około 60% w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża.
WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące
wnioski:
• Proces tworzenia technologicznych warstw powierzchniowych metodą
obróbki elektroiskrowej związany jest z transferem masy i energii oraz
zjawiskiem powstania plazmy niskotemperaturowej.
• W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono, że grubość uzyskanych
warstw wyniosła około 10÷15 µm, natomiast zasięg strefy wpływu
ciepła w głąb materiału podłoża wyniósł ok. 15÷20 µm.
• Powłoki stellitowe charakteryzuje 9 razy większa odporność korozyjna w stosunku do stali C45.
• Podczas badań tribologicznych zaobserwowano, że średnie wartości
sił tarcia wzrastają proporcjonalnie do obciążenia.
• Mikrotwardość powłok stellitowych jest prawie 3 razy większa w stosunku do mikrotwardości materiału podłoża.
• Na dalszym etapie należy wykonać badania składu fazowego oraz porowatości powłok stellitowych nakładanych elektroiskrowo.
LITERATURA
1. Galinov I.V., Luban R.B.: Mass transfer trends during electrospark alloying. Surface & Coatings Technology, 1996, 79, 9–18.
2. Ozimina D., Scholl H., Styp-Rekowski M.: Model formowania przeciwzużyciowych warstw wierzchnich za pomocą obróbki elektroiskrowej. Wybrane zagadnienia obróbek skoncentrowana energią, monografia, rozdział
II, Bydgoszcz, 2003, 104–109.
2-2009
TRIBOLOGIA
199
3. Radek N., Wajs E., Luchka M.: The WC-Co electrospark alloying coatings
modified by laser treatment. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2008,
47 (3–4), 197–201.
4. Radek N.: Experimental investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electrospark coatings modyfied by laser beam. Advances in Manufacturing Science and Technology, 2008, 32 (2), 53–68.
5. Radek N., Antoszewski B.: Laser treatment of electro-spark deposited coatings. Materials Engineering, 2005, 12 (4), 13–15.
6. Radek N.: Obróbka elektroiskrowa – urządzenia i zastosowania przemysłowe. Mechanik, 2008, 7, 600–602.
7. U.S. Patent No. 5071059 Method for joining single crystal turbine blade
halves – 1991.
8. http:// www.stt-inc.com.
9. Miernikiewicz A.: Doświadczalno-teoretyczne podstawy obróbki elektroerozyjnej (EDM). Politechnika Krakowska – Rozprawy – 2000, 274, Kraków, 189.
Recenzent:
Wiesław ZWIERZYCKI
Summary
Depositing protective layers on metal surfaces frequently involves
matter and energy transfer, which is accompanied by various chemical, electrochemical and electrothermal reactions. To determine the
operational properties of a surface layer, it is necessary to analyse
the original, technological properties of the material, the deposition
method, and, particularly, the mechanism of energy accumulation
inside and outside the workpiece. By controlling polarity, it is possible to remove or replace material.
The process of material growth resulting from electroerosion is
known as electro-spark alloying (ESA) or electro-spark deposition
(ESD). The erosion of the anode and the spark discharges between
the electrodes result in the formation of a surface layer with properties different from those of the base material.
The paper is concerned with determining the properties of electro-spark coatings. The properties were assessed by analysing microstructure, measuring the microhardness, friction force and corrosion
200
TRIBOLOGIA
2-2009
resistance. The tests were carried out on a stellite coating (the anode)
obtained by electro-spark deposition over carbon steel C45 (the
cathode). The coatings were deposited by means of an EIL-8A.
The electro-spark deposited coatings are likely to be applied to
increase wear resistance and corrosion resistance.