201301_PSpaw_fi87.pdf 8 Przegląd sPawalnictwa 1/2013 Grzegorz Gontarz gr inż rzegorz ontarz Politechnika Warszawska. Stre zczenie W pracy przedstawiono nową metodę bezpośrednie- go wytwarzania warstw na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych ze związków Fe- l. Zastoso- wano przetapianie prądem przemiennym techniką IG natryskiwanej wcześniej powłoki aluminiowej na podło- żu stalowym, uzyskując twardość w powłoce przekra- czającą 1000 . rtykuł ma przybliżyć zagadnienia wytwarzanie warstw intermetalicznych typu Fe- l cha- rakteryzujących się bardzo dobrymi właściwościami, jak np. wysoką odpornością na utlenianie czy wysoką od- pornością na korozję w podwyższonej temperaturze oraz w środowisku korozyjnym. tract his paper presents the new method of in situ pro- duction of ordered Fe- l intermetallic based layers. he e periment has two stages. Once the thermaly sprayed pure aluminum coating was applied on the steel sub- strate, the IG method for remelting was used. he meanweld microhardness was higher than 1000 . he proposed method makes possible production of in- termetallic Fe- l layers, which are characterized by ery good properties, such as: high resistance to o idation and corrosion at higher temperature in corrosi e en ironment. Warstwy intermetaliczne typu Fe-AL wytwarzane metodą tIg AC Fe-al intermetallic layers produced by tig ac method t p Fazy międzymetaliczne nazwane często inter eta la i należą do unikatowej klasy materiałów metalicz- nych o właściwościach pośrednich między metalami a ceramiką. Od wielu lat są postrzegane jako materiały funkcjonalne o specy cznych właściwościach chemicz- nych i zycznych 1 . Powstają w wyniku połączenia metali lub metali z niemetalami i wykazują właściwo- ści metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego. tomy składników wyka- zują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicz- nej, stabilne niekiedy aż do temperatury topnienia. Obecność faz międzymetalicznych w spoinie znacz- nie obniża parametry złącza, dlatego też nie są dobrze postrzegane w gronie spawalników. Jednak, gdy wyko- rzystamy inter etale do mody kacji powierzchni me- tali, możemy uzyskać doskonałe efekty. Powłoki takie wykazują dużą twardość, odporność na ścieranie oraz na korozję w środowisku utleniającym i redukującym, a także mogą pracować w wysokiej temperaturze 2 . Fazy międzymetaliczne mogą powstawać przez wykrystalizowanie wprost z roztworu ciekłego i w tym przypadku mają charakter związku międzymetaliczne- go o wzorze mBn lub wtórnego roztworu stałego, wy- stępującego w pewnym zakresie stężeń rys. 1 . Materiały te są konkurencyjne dla coraz droższych stopów na bazie niklu. Wykazują małą gęstość, mają wysoki moduł ounga, a umowna granica plastyczno- ści jest często porównywalna do tych dobrych, wciąż pożądanych stopów niklu. Granica plastyczności większości intermetali jest stabilna do 600 800 . Ich właściwości są zbliżone do superstopów np. Inconelu , które znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym oraz motoryzacyjnym na Ry 1 Dwuskładnikowe układy równowagi z fazami międzymeta- licznymi o charakterze: a związku mBn, b wtórnego roztworu sta- łego γ 3 ig 1 Bi ariant chase system with intermetallic phase as: a mBn compound, b secondary solid solution γ 3 9Przegląd sPawalnictwa 1/2013 elementy lub powłoki elementów pracujących w wyso- kiej temperaturze 4 . Obecnie duże zainteresowanie towarzyszy mate- riałom na bazie związków międzymetalicznych z ukła- du Fe- l. Wynika to z m.in. względnie niskiej ceny w stosunku do innych grup materiałów bazujących na fazach międzymetalicznych. Istotne składniki kosz- tów to koszt materiałów podstawowych oraz koszt technologicznego procesu wytwarzania. Dotychczas stopy na bazie faz międzymetalicznych wytwarzane były klasycznymi metodami głównie przez topienie i odlewanie , jak również z wykorzystaniem nowo- czesnych technik wytwarzania opartych na metalurgii proszków 5 . Materiały na bazie uporządkowanych faz między- metalicznych z układu Fe- l są roztworami wtórnymi na osnowie sieci B2 i występują w temperaturze oto- czenia w zakresie stężeń 36,5 50 l rys. 2 . harak- teryzują się wysoką wytrzymałością wytrzymałość na rozciąganie 1150 MPa i odpornością na utlenianie, a także małą gęstością 5,5 g/cm3 z uwagi na wy- soką zawartość aluminium , odpornością na erozję i zużycie ścierne 6 . Mogą pracować w temperaturze nawet do 00 , przy temperaturze topnienia wyno- sącej ok. 1350 . trudnienia w ich stosowaniu wy- nikają z dużej kruchości w temperaturze otoczenia. Występują również trudności przy wytwarzaniu z nich elementów o użytkowych gabarytach charakteryzują- cych się litą budową o drobnoziarnistej mikrostrukturze pozbawionej mikropęknięć i innych nieciągłości. Stopy Fe- l znalazły szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle lotniczym powłoki łopatek w silnikach odrzutowych , przemyśle okrętowym i motoryzacyjnym palety i stojaki w piecach do obróbki cieplno che- micznej, rolki do transportu taśm stalowych walco- wanych na gorąco, pierścienie, katalizatory , jak rów- nież w przemyśle energetycznym i petrochemicznym komponenty wymienników ciepła, obudowy ogniw paliwowych, elementy konstrukcyjne pracujące w pod- wyższonej temperaturze 7, 8 . Ze względu na niskie koszty materiałowe i specy czne właściwości, stopy na bazie faz międzymetalicznych z układu Fe- l mogą zastępować niektóre drogie stopy zawierające chrom, nikiel czy molibden, używane na powłoki ochronne oraz do regeneracji części. Stosowanie powłok regenera- cyjnych jest korzystne ze względów ekonomicznych, ale również umożliwia ulepszenie naprawianych po- wierzchni zarówno pod względem odporności na utle- nianie w wysokiej temperaturze, jak i twardości , 10 . W pracy zaproponowano nową metodę wytwarza- nia warstw intermetalicznych z układu Fe- l. Dwueta- powy proces technologiczny nawiązuje w części do tradycyjnych metod spajania, jednak jest całkowicie nowym rozwiązaniem. Powłoka oparta na fazie mię- dzymetalicznej z układu Fe- l jest wytwarzana in situ. ateriały i metoda wytwarzania Proces wytwarzania Fe- l warstw został przeprowa- dzony w dwóch etapach. W pierwszym etapie, na pod- łoże stali niestopowej wag. 8,5 Fe w kształcie płyt- ki o wymiarach 0 20 mm i grubości 2 mm, nałożona została metodą łukową warstwa aluminium o grubości ok. 0,2 mm. Parametry natryskiwania zawarto w tablicy I. Na rysunku 3 przedstawiono mikrostrukturę war- stwy aluminium po natryskiwaniu. Powierzchnia po natryskiwaniu ma wysoką chropowatość, powłoka jest szczelna i jednolita, a jej mikrostruktura potwierdza szczelność powłoki aluminiowej na podłożu stalowym. Powłoka jest ciągła, ma dużą porowatość, połączenie cząsteczek powłoki z podłożem ma charakter zaklesz- czenia mechanicznego. W kolejnym etapie natryskana powłoka z aluminium była przetapiana wraz z warstwą stalowego podło- ża wiązką energii cieplnej. Do procesu zastosowano Ry 2 Wykres równowagi układu Fe- l 6 ig 2 Fe- l phase system 6 a lica I Parametry natryskiwania łukowego powłoki l na podłoże stalowe S235J a le I Parameters of thermal spraying of l coating on S235J substrate Natężenie prądu, 150 Napięcie łuku, 30 iśnienie powietrza, MPa 0,5 Odległość dyszy pistoletu od przedmiotu, mm 300 Ry 3 Mikrostruktura natryskiwanej termicznie powłoki aluminium na podłożu ze stali S235J , pow. 100 ig 3 Microstructure of thermal sprayed l. coating on S235J substrate, magn. 100 10 Przegląd sPawalnictwa 1/2013 urządzenie O 220. Przetapiano przy zastoso- waniu prądu przemiennego na całkowitej głębokości do ok. 0,5 mm. Proces ten przedstawiono schematycz- nie na rysunku 4a. Przetapianie należało przeprowadzić, stosując od- powiednie parametry tabl. II , tak by kąpiel metalicz- na obszar ciekłego metalu składała się w równym stopniu z materiału powłoki aluminiowej oraz częścio- wo przetopionego podłoża stalowego. Na rysunku 4b przedstawiono widok zewnętrznej powierzchni próbki po przetapianiu. yniki ada Wykonano podstawowe badania metalogra czne w celu scharakteryzowania mikrostruktury oraz śred- niej twardości warstw. Na rysunku 5 pokazano budowę mikrostrukturalną przetopionego obszaru na granicy z powłoki nałożonego aluminium. nalizowana warstwa jest wolna od pęknięć i po- rowatości charakteryzujących warstwy natryskiwane. Zapewnia to wysoki poziom szczelności i brak karbów o charakterze geometrycznym, koncentrujących na- prężenia. W wytworzonej warstwie nie występują mi- kropęknięcia, warstwa jest ciągła, ewentualna porowa- tość może występować jedynie w jej wierzchniej części rys. 6 . Największą zaletą przeprowadzonego proce- su w stosunku do powłok natryskiwanych jest metalur- giczne związanie z podłożem zapewniające przyczep- ność warstwy na poziomie o rząd wielkości wyższym niż dla powłok natryskiwanych. Wykonano badania mikrotwardości w stalowym podłożu oraz wytworzonej warstwie rys. 7 . war- dość próbki po stronie podłoża badano do głębo- kości ok. 2,3 mm celem ujawnienia ewentualnego a lica II Parametry przetapiania IG a le II Parameters of IG remelting Natężenie prądu, 65 Osłona gazowa argon Natężeniem przepływu gazu, l/min 11 Odległość dyszy od przetapianej warstwy, mm 4 Prędkość przesuwu palnika, mm/min 120 Ry 4 Schemat procesu przetapiania IG komponentów a i zewnętrzna powierzchnia próbki po przetapianiu b ig 4 Scheme of IG remelting a and the surface of the specimen after process b Ry 5 Mikrostruktura warstwy powierzchniowej: a przed przetopie- niem, b po przetopieniu, pow. 200 ig 5 Microstructure of super cial layer: a before remelting, b after remelting, magn. 200 Ry 6 Mikrostruktura warstwy powierzchniowej przekrój po- przeczny ściegu, kontrast Nomarskiego, pow. 100 ig 6 Microstructure of super cial layer bead cross-section, Nomarski s contrast, magn. 100 Ry 7 ozkład mikrotwardości w stalowym podłożu i warstwie ig 7 Microhardness distribution in steel substrate and layer oddziaływania cyklu cieplnego również na podłoże. W podłożu odnotowano wzrost twardości do poziomu ok. 450 μ 0,1 jedynie w obszarze strefy wpływu ciepła SW , która swoim zasięgiem obejmowała pasmo o szerokości około 0,25 mm, bezpośrednio przyległe do granicy wtopienia. W warstwie właściwej zareje- strowano twardość w zakresie 8 0 1050 μ 0,1. Jest to poziom właściwy dla wtórnego roztworu stałe- go Fe l. Otrzymane wyniki odzwierciedlają jednorod- ność chemiczną, strukturalną i fazową wytworzonej warstwy. Bardzo wysoka mikrotwardość rzędu 1000 μ 0,1 może świadczyć o wytworzeniu czystej fazy Fe l wtórnego roztworu stałego bez udziału innych faz ubocznych, co będzie można potwierdzić po wykona- niu dodatkowych badań m.in. rentgenowskiej analizy fazowej . a b Fe- l Głębokość, mm M ik ro tw ar do ść , μ 11Przegląd sPawalnictwa 1/2013 Pod mowanie Zaproponowana metoda jest alternatywą dla obecnie stosowanych metod mody kacji powierzchni stalowych, opartych na pokrywaniu ich drogimi goto- wymi fazami międzymetalicznymi najczęściej w for- mie proszku , jak i dla innych spawalniczych metod wytwarzania powłok intermetalicznych przetapianie laserowe 11 i mikroplazmowe 12 . Największą za- letą opracowanej metody jest niski koszt stosowanych materiałów l i Fe oraz urządzenia do wytwarzania z nich nowego stopu na powierzchni mody kowane- go elementu podczas przetapiania powłoki i podłoża. Zastosowane źródło ciepła przy przetapianiu IG umożliwia selektywne prowadzenie procesu przeta- piania na wyizolowanym obszarze części maszyn. Literat ra 1 Szkliniarz W.: Doświadczenia w zakresie wytwarzania i prze- twarzania stopów na osnowie fazy międzymetalicznej i l, Inżynieria Materiałowa, ol. 28, nr 2, s. 47-53, 2007. 2 hmielewski ., Zhu S.: Natryskiwanie powłok na bazie wy- branych faz międzymetalicznych metodą igh f ciency ypersonic Plasma Spraying. Prace naukowe. Mechanika, z. 215, 4 -58, wyd. O cyna Wydawnicza Politechniki War- szawskiej, Warszawa, 2006. 3 Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, wyd. 6, Wydawnictwa Na- ukowo echniczne, Warszawa 1 . 4 hmielewski ., Jakubowski J.: aroodporne powłoki Inconel 625 natryskiwane termicznie na podłoża ze stali stopowych. Prace naukowe. Mechanika, z. 22 , 143-153, O cyna Wy- dawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 200 . 5 Durejko ., Bojar Z.: Materiały na bazie faz międzymetalicz- nych z układu Fe- l otrzymywane zmody kowaną metodą prasowania w podwyższonej temperaturze. omposites No. 2, s. 323-327, 2005. 6 Kobayashi S., akou .: ontrol of intermetallic compound layers at interface between steel and aluminum by diffusion- treatment, Materials Science and ngineering: , ol. 338, Issues 1-2, 44-53, 2002. Zastosowanie łuku spawalniczego zasilanego prądem przemiennym do przetapianiaummożliwiło uzyskanie powłoki intermetalicznej o podobnej mi- krostrukturze oraz wyższej mikrotwardości od warstw wytwarzanych w procesie przetapiania mikroplazmo- wego i laserowego. Przedstawiona metoda daje możliwość wytwarzania in situ warstw ochronnych opartych na roztworze wtórnym Fe l, które z uwagi na swoją budowę właściwości mechaniczne i użytko- we, mogą mieć zastosowanie na elementy maszyn, poddane wysokim obciążeniom mechanicznym oraz cieplnym i podlegające silnemu zużyciu ściernemu. 7 hmielewski ., Golański D.: Znaczenie spawalnictwa w procesie remanufacturingu. Przegląd Spawalnictwa, 6/2011 s. 2 -32, 2011. 8 Niewielki G., Jablońska M.: harakterystyka i zastosowanie intermetali z układu Fe- l, Inżynieria Materiałowa, ol. 28, nr 2, s. 43-47, 2007. ugustyn-Pieniążek J., Skrzypek S.J., Goły M.: Skład fa- zowy i mikrostruktura warstwy wierzchniej na podłożu stali austenitycznej 18-8 po laserowej mody kacji. Mechanika, z. 6, 2-M/200 , s. 1- 8, 200 . 10 Włosiński W., hmielewski .: Plasma-hardfaced chromium protecti e coatings effect of ceramic reinforcement on their wettability by glass, d ances in Science and echnology 32, s. 253-260, 2003. 11 hmielewski ., Golański D.: he new method of in-situ fabrica- tion of protecti e coatings based on Fe l intermetallic compo- unds, Proceedings of the Institution of Mechanical ngineers, Part B, Journal of ngineering Manufactur, 2011, ol. 225 4 . 12 Gontarz G., hmielewski ., Golański D.: Mody kacja natry- skiwanych powłok aluminiowych na stali skoncentrowanym źródłem ciepła, Przegląd Spawalnictwa 12/2011, 52-55, 2011. na t pnym n merze ic ał awiak Spawanie tłoczyska siłowników hydraulicznych acek rka Ra ał Ski a Wpływ procesów cięcia termicznego i strumieniem wody na własności i jakość powierzchni ciętych stali niskostopowych o wysokiej granicy plastyczności Se a tian Pawlak acie R ża ki rzegorz zia Zastosowanie termogra i aktywnej do badań nieniszczących połączeń lutowanych acie R ża ki Wpływ dodatku tytanu w spoiwach cynkowych na zwilżalność powierzchni i właściwości mechaniczne aluminiowych połączeń lutowanych dward a naliza stanu naprężenie-odkształcenie w niklowych powłokach elektrolitycznych zawierających nano- i mikrocząstki twardej fazy