PEŁNY TEKST/FULL TEXT

GRZEGORZ KINAL, DARIUSZ BARTKOWSKI, ADAM PIASECKI, MICHAŁ BAK
Laserowe napawanie kompozytowych warstw
powierzchniowych Stellite-6/B4C
WPROWADZENIE
Coraz częściej stosowaną metodą nanoszenia powłok na stopy
żelaza staje się proszkowe napawanie laserowe. Metoda ta polega
na przetapianiu laserem warstwy wierzchniej materiału podłoża
wraz z jednoczesnym podawaniem proszku stopującego. Najczęściej używanymi do tego materiałami są proszki na bazie
kobaltu oraz na bazie niklu. Istnieje także możliwość wytwarzania
kompozytowych warstw powierzchniowych, w których metale te
są osnową, a jako cząstki zbrojące można zastosować węgliki lub
tlenki. Za pomocą napawania tego typu materiałów można szybko
zregenerować zużyte części maszyn, a także wytworzyć powłoki
jedno- i wielowarstwowe z przeznaczeniem do eksploatacji
w ekstremalnie trudnych warunkach. Technologia napawania
laserowego umożliwia wprowadzenie sproszkowanego materiału
bezpośrednio do wiązki laserowej w osłonie gazu obojętnego,
dzięki czemu unika się utleniania zarówno podawanego proszku,
jak i podłoża. Dodatkowo przez zastosowanie 5-osiowych
laserowych centrów obróbczych lub robotów sterowanych numerycznie i wspomaganych systemami CAD/CAM materiał dodatkowy może zostać precyzyjnie napawany na wyrób o dowolnym
kształcie. Odpowiedni dobór szeregu parametrów (moc i średnica
wiązki lasera, prędkość posuwu, szybkość podawania proszku,
szybkość podawania gazów) pozwalają na wytworzenie warstwy
powierzchniowej o odmiennej mikrostrukturze i odmiennych
właściwościach mechanicznych. Podstawowym problemem w
napawaniu kompozytowych warstw powierzchniowych jest odpowiedni dobór materiału osnowy i fazy wzmacniającej. Jednak
zastosowanie odpowiednich materiałów istnieje możliwość
znacznego poprawienia właściwości eksploatacyjnych, a w szczególności odporności na zużycie przez tarcie.
W artykule opisano kompozytowe warstwy powierzchniowe
Stellite-6/B4C wytworzone w procesie napawana laserowego na
stali S355. Badania pozwoliły określić stan powierzchni, mikrostrukturę, grubość, mikrotwardość, skład chemiczny wytwarzanych warstw powierzchniowych oraz odporność na procesy
zużywania przez tarcie [1÷7].
Warstwy powierzchniowe wytworzono metodą proszkowego
napawania laserowego za pomocą ciągłej wiązki lasera dyskowego
o mocy znamionowej 1 kW oraz systemu bezpośredniego
podawania proszku do głowicy laserowej. Procesy napawania
przeprowadzono za pomocą urządzenia TRUMPF LASER CELL
3008.
Napawanie laserowe przeprowadzono, stosując trzy wartości
mocy wiązki laserowej P wynoszącej 400, 550 i 700 W, jednakowej
prędkości przemieszczania się wiązki względem materiału
obrabianego v równej 400 mm/min i stałej średnicy wiązki
wynoszącej d = 1,642 mm. W badaniach zastosowano prędkość
podawania proszku podczas napawania równą vp = 3,2 g/min oraz
prędkość przepływu gazów nośnego (He) i osłonowego (Ar)
wynoszącą vgaz=5 l/min. Napawanie przeprowadzono z nakładaniem
się sąsiednich obszarów powstałych w wyniku pojedynczego
przejścia wiązki laserowej (metodą tworzenia rastra). Nałożenie
sąsiednich obszarów wyniosło 35%.
Przygotowane zgłady metalograficzne trawiono dwukrotnie.
W celu uwidocznienia mikrostruktury podłoża zastosowano 2%
nital, natomiast aby uwidocznić mikrostrukturę warstwy powierzchniowej zastosowano odczynnik metalograficzny o składzie 25%
HCl i 75% HNO3. Mikrostrukturę obserwowano za pomocą
mikroskopu Neophot 32 z cyfrowym zapisem obrazu oraz
skaningowego mikroskopu elektronowego TESCAN VEGA 5135.
Badania mikrotwardości na przekroju warstw powierzchniowych
przeprowadzono sposobem Vickersa za pomocą mikrotwardościomierza Micromet II firmy Buehler zgodnie z normą PN-EN ISO
6507-1:2007 stosując obciążenie wgłębnika 50 G.
Liniową mikroanalizę rentgenowską składu chemicznego przeprowadzono przy użyciu mikroanalizatora EDS Prism Si(Li) 2000
firmy PGT. Badania odporności na zużycie przez tarcie przepro
Tabela 1. Skład chemiczny stali S355 użytej do badań (%wag.)
Table 1. Chemical composition of S355 steel used for study (wt.%)
Materiał
S355
C
0,17
Mn
1,40
P
0,035
S
0,035
N
0,009
Fe
reszta
METODYKA BADAŃ
Warstwy powierzchniowe wytworzono na stali konstrukcyjnej
S355, której skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1.
Materiał napoiny nakładanej na jedną z powierzchni próbki
prostopadłościennej stanowiła mieszanina proszków Stellit-6 oraz
węglika boru B4C w proporcji objętościowej odpowiednio 90%
do 10%. Wielkość cząstek proszku Stellitu-6 wynosiła 2553 µm,
natomiast węglika boru mieściła się w zakresie 4060 µm.
Proszek Stellit-6 charakteryzował się kształtem kulistym, natomiast B4C nieregularnym o ostrych krawędziach (rys. 1).
Dr inż. Grzegorz Kinal ([email protected]), dr inż. Michał Bak –
Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Politechnika Poznańska,
mgr inż. Dariusz Bartkowski, dr inż. Adam Piasecki – Instytut Inżynierii
Materiałowej, Politechnika Poznańska
Rys. 1. Kształt i wielkość cząstek mieszaniny proszkowej: a) Stellite-6,
b) węglik wolframu B4C
Fig. 1. Particle shapes and sizes of powder mixtures: a) Stellite-6,
b) boron carbide B4C
382 ________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A __________________ ROK XXXV
wadzono na urządzeniu typu AMSLER A135. Proces zużywania
ściernego przy tarciu suchym realizowano, stosując jako parę
cierną węzeł modelowy „rolka-klocek”. Jako przeciwpróbkę zastosowano tuleję o średnicy zewnętrznej 45 mm i wysokości 12 mm,
wykonaną ze stali 100Cr6 i charakteryzującą się twardością
64 HRC. Natomiast próbki do badań zużywania ściernego
w końcowym etapie miały kształt prostopadłościanów o wymiarach 20×20×5 mm. Na jednej z powierzchni znajdowała się
warstwa uzyskana w wyniku napawania laserowego. Warunki
przeprowadzania próby tarcia były następujące: prędkość
obrotowa przeciwpróbki V = 179 obr/min, obciążenie N = 40 kg
oraz czas trwania próby t = 90 minut. Podczas próby skojarzenie
chłodzono nadmuchem sprężonego powietrza o ciśnieniu około
p = 200 000 MPa. Zużycie mierzono metodą wagową. Próbki
ważono za pomocą wagi laboratoryjnej Sartorius BP221S ORT
o dokładności 0,0001 g.
Dodatkowo przeprowadzono również pomiary chropowatości
wytworzonych warstw powierzchniowych, do których użyto
profilografometru firmy Carl Zeiss oraz oprogramowania
SUFORM.
powierzchni stopionego jeziorka materiału podczas napawania. Po
ukonstytuowaniu się napoiny, każdy z tych węglików tworzy
wokół siebie strefę o zmienionej mikrostrukturze (rys. 7).
Rys. 2. Powierzchnia próbek po napawaniu laserowym z zastosowaniem mocy wiązki laserowej P: a) 400 W, b) 550 W, c) 700 W
Fig. 2. View of the specimens surface after laser cladding using a beam
power P of: a) 400 W, b) 550 W, c) 700 W
WYNIKI BADAŃ
Na powierzchni laserowo napawanych powłok Stellit-6/B4C
nie stwierdzono pęknięć ani innych wad powierzchniowych. Na
rysunku 2 przedstawiono makroskopowy widok powierzchni
próbek.
Wytworzone warstwy powierzchniowe o dobrym połączeniu
z podłożem (co wykazały obserwacje mikroskopowe) charakteryzowały się poprawną geometrią ścieżek o szerokości zwiększającej się w miarę wzrostu mocy wiązki lasera. Zaobserwowano, że
warstwa wytworzona za pomocą mocy wiązki 400 W charakteryzowała się wyraźną porowatością, która była trudna do
usunięcia mechanicznego, co skutkowało zwiększeniem parametru
Ra. Parametr ten znacząco zmniejszył się po zwiększeniu mocy
wiązki lasera z 400 do 550 i 700 W (rys. 3). Wyraźnie większa
wartość parametru Ra dla najmniejszej mocy wiązki laserowej
może być związana z obecnością nieprzetopionych i utwierdzonych do powierzchni cząstek mieszaniny proszkowej, która nie
uległa właściwemu połączeniu z napoiną, tworząc porowatość.
Wykonane pomiary grubości napoin na zgładach metalograficznych wykazały, że zastosowanie najmniejszej mocy wiązki
laserowej skutkuje wytworzeniem powłoki o najmniejszej grubości, która wzrastała wraz ze zwiększaniem mocy wiązki.
Zaobserwowano jednocześnie, że w obszarze materiału napawanego bezpośrednio przyległego do napoiny powstaje strefa (strefa
wpływu ciepła) o zmienionej mikrostrukturze na przekroju i różnej
mikrotwardości w porównaniu z materiałem napawanym. Dzieje
się tak na skutek oddziaływania ciepła z obszaru napoiny. Badania
wykazały, że wraz ze wzrostem grubości napoiny, grubość strefy
wpływu ciepła zmniejsza się. Prawdopodobnie jest to związane
z odbieraniem ciepła w większej części przez materiał dodatkowy
(materiał napoiny) (tab. 2).
Mikrostruktura analizowanych warstw powierzchniowych
charakteryzuje się budową dendrytyczną. Przez dodanie do
proszku Stellit-6 cząstek węglika boru B4C uzyskano istotne
zmiany w mikrostrukturze napoiny. Porównanie klasycznej
mikrostruktury Stellitu-6 (rys. 4) z mikrostrukturą powstałą przez
napawanie laserowe mieszaniny Stellitu-6 z 10% dodatkiem
węglika boru (rys. 5) pozwala stwierdzić, że zmiany polegają
głównie na dyspersji, kształcie i rozmieszczeniu dendrytycznych
wydzieleń.
Stwierdzono, że część węglików pierwotnych przy mocy
wiązki laserowej równej P = 400 W nie uległa całkowitemu
przetopieniu (rys. 6). Nieprzetopione węgliki obserwowano jednak
w obszarze bezpośrednio przyległym do powierzchni na przekroju
poprzecznym napoiny. Wynika to ze zbyt dużej różnicy gęstości
tych materiałów. Nieprzetopione węgliki boru unoszą się na
Rys. 3. Wyniki pomiarów parametru Ra wytworzonych warstw
powierzchniowych z zastosowaniem różnych mocy wiązki laserowej
Fig. 3. Measurements results of the Ra parameter for surface layers
produced using different laser beam power
Tabela 2. Grubość powłok oraz ich stref wpływu ciepła dla różnej
mocy wiązki laserowej
Table 2. Coating thickness and its heat affected zone obtained in studies
using various laser beam power
Moc wiązki laserowej
W
400
550
700
Grubość
powłoki, µm
210
370
570
Grubość strefy wpływu ciepła
µm
100
50
70
Rys. 4. Mikrostruktura warstwy Stellite-6
Fig. 4. Microstructure of Stellite-6 layer
Nr 5/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 383
Rys. 5. Mikrostruktura warstwy Stellite-6/B4C (P = 550 W)
Fig. 5. Microstructure of Stellite-6/B4C layer (P = 550 W)
Rys. 8. Profil zawartości pierwiastków w warstwie powierzchniowej
(moc wiązki laserowej P = 550 W)
Fig. 8. Profile of the elements content in the surface layer (the laser
beam power P = 550 W)
Rys. 6. Warstwa Stellite-6/B4C z cząstkami węglików pierowtnych
(P = 400 W)
Fig. 6. Stellite-6/B4C layer with visible particles of primary carbides
(P = 400 W)
Rys. 7. Obszar zmienionej mikrostruktury osnowy wokół węglika
pierwotnego B4C
Fig. 7. Zone with modified microstructure around the primary carbide
B4 C
Węgliki B4C stają się zarodkiem krystalizacji osnowy, stąd
charakterystyczne kryształy słupkowe wzrastające od powierzchni
węglika w stronę osnowy metalicznej. Jest to obszar o zmienionym składzie chemicznym i właściwościach. Węgliki o niere-
gularnym, ostrym kształcie (rys. 1) nadtapiają się, zmieniając
kształt (rys. 7) i wzbogacając osnowę w węgiel i bor. Bezpośrednio pod napoiną stwierdzono powstanie obszaru materiału
napawanego zahartowanego ze stanu stałego.
Wytworzone napoiny charakteryzowały się dobrym połączeniem ze stalowym podłożem.
Analiza składu chemicznego wzdłuż linii prostopadłej do
warstwy pozwoliła na uzyskanie profilu stężeń na przekroju
poprzecznym warstwy (rys. 8). W miarę zbliżania się do podłoża
rośnie zawartość żelaza w napoinie. Jest to związane z dobrym
wymieszaniem powłoki z podłożem. Zawartość kobaltu i chromu
wynika ze składu chemicznego stopu Stellite-6. W osnowie
znajdują się także węgliki (najprawdopodobniej typu M7C3)
bogate w chrom.
Pomiary mikrotwardości na przekroju warstw otrzymanych dla
różnej mocy wiązki laserowej przedstawiono na rysunku 9. Z
analizy zmian mikrotwardości wynika, że największym
gradientem mikrotwardości na przekroju charakteryzuje się
napoina uzyskana przy najmniejszej mocy wiązki laserowej.
Obserwuje się najbardziej gwałtowny spadek mikrotwardości na
przekroju powłoki. Największą mikrotwardość napoiny
985 HV0,05 stwierdzono w odległości 30 μm od powierzchni.
Mikrotwardość napoiny wytworzonej przy mocy wiązki P = 550
W zmienia się w zakresie 890÷720 HV0,05 i maleje mniej
gwałtownie. Natomiast mikrotwardość napoiny uzyskanej przy
największej mocy wiązki laserowej (P = 700 W) bezpośrednio
przy powierzchni wynosi około 750 HV0,05, jednak na przekroju
mikrotwardość może się zmieniać w granicach 850÷900 HV 0,05.
Jest jednak obserwowana w tym przypadku tendencja spadku
mikrotwardości na przekroju napoiny od powierzchni w głąb do
osiągnięcia strefy wpływu ciepła. W strefie tej mikrotwardość
bardzo gwałtownie maleje, aż do osiągnięcia mikrotwardości
384 ________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A __________________ ROK XXXV
rdzenia (dotyczy to wszystkich stref wpływu ciepła uzyskanych
dla różnej mocy wiązki laserowej). Widoczny na wykresach
skokowy charakter zmian mikrotwardości jest związany z kompozytową budową napoiny. Miejsca o zmienionej przez węgliki
strukturze (rys. 7) charakteryzowały się zwiększą mikrotwardością.
Porównanie zużycia napoin wytworzonych dla różnej mocy
wiązki lasera przedstawiono na rysunku 10. Uzyskane wyniki
badań wyraźnie wskazują na różnice w zużyciu uzyskanych napoin. Najmniejszym zużyciem przy zadanych warunkach
tarcia charakteryzowała się warstwa powierzchniowa uzyskana dla
najmniejszej zmocy wiązki laserowej. Napoina ta charakte-
ryzowała się także największą mikrotwardością przy powierzchni,
która mierzona na przekroju napoiny do głębokości 60 μm
wyniosła średnio 862 HV0,05. Natomiast największe średnie
zużycie zaobserwowano dla napoiny uzyskanej dla mocy wiązki
laserowej wynoszącej P = 550 W, dla której mikrotwardość
wyniosła 833 HV0,05.
Zwiększenie mikrotwardości oraz odporności na zużycie (przy
zastosowaniu mocy wiązki laserowej P = 400 W) jest związane
z występowaniem przy powierzchni nierozpuszczonych węglików
pierwotnych B4C oraz mogących się tworzyć borków żelaza.
WNIOSKI
1. Wraz ze wzrostem mocy wiązki lasera zwiększa się grubość
warstwy powierzchniowej Stellite-6/B4C oraz zmniejsza się
parametr chropowatości Ra.
2. Laserowe napawanie z wykorzystaniem mieszaniny proszków
Stellite-6/B4C powoduje powstanie mikrostruktury charakteryzującej się budową dendrytyczną. Wokół nieprzetopionych
pierwotnych węglików boru, stanowiących zarodki krystalizacji, stwierdzono obszary o zmienionej mikrostrukturze.
3. Wraz ze wzrostem mocy wiązki lasera zwiększa się mikrotwardość wytworzonych warstw kompozytowych.
4. Największą odporność na proces zużywania ściernego
wykazały napoiny uzyskane przy najmniejszej mocy wiązki
laserowej (P = 400 W), w których stwierdzono obecność
nieprzetopionych węglików pierwotnych B4C.
PODZIĘKOWANIE
Rys. 9. Profil mikrotwardości na przekroju kompozytowych warstw
powierzchniowych (linie pionowe oznaczają grubość napoin)
Fig. 9. Profiles of microhardness in the cross-section of composite
surface layers (vertical lines indicate the thickness of padding welds)
Dariusz Bartkowski jest stypendystą w ramach projektu pt.:
„Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”,
Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki,
współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Rys. 10. Wyniki badań zużycia wytworzonych warstw powierzchniowych
Fig. 10. Study results of wear by dry friction of produced layers
Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali.
Podstawy, urządzenia, technologie. Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa (1995).
Kusiński J.: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej.
Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków (2000).
Młynarczak A., Jakubowski J.: Obróbka powierzchniowa i powłoki
ochronne. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań (1998).
Domnich V., Reynaud S., Haber R. A., Chhowalla M.: Boron
carbide: Structure. Properties and atability under stress. Journal of the
American Ceramic Society 94 (2011) 3605÷3628.
Deuis R. L., Yellup J. M., Subramanian C.: Metal-matrix composite
coatings by PTA surfacing. Composites Science and Technology 58
(1998) 299÷309.
Dudziak B., Gościański M.: Wpływ wybranych parametrów laserowego napawania proszku stopów metali na stal typu C45 w aspekcie
zmian twardości napoiny. Journal of Research and Applications in
Agricultural Engineering 57 (2012) 29÷33.
Luo F., Cockburn A., Lupoi R., Sparkes M., O’Neill W.:
Performance comparison of Stellite 6 deposited on steel Rusing
supersonic laser deposition and laser cladding. Surface and Coatings
Technology 212 (2012) 119÷127.
Nr 5/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 385