201112_PSpaw.pdf 56 Przegląd sPawalnictwa 12/2011 Artur Wypych Mikrostruktura i właściwości eksploatacyjne inconelu 625 w postaci warstw natryskiwanych cieplnie Microstructure and service properties of inconel 625   as a thermal spraying surface layers Dr inż. Artur Wypych – Politechnika Poznańska. Streszczenie Badaniom poddano warstwę wierzchnią wytworzo- ną metodą natryskiwania łukowego. Materiał dodatkowy w postaci Inconelu 625 natryskiwano na podłoże ze sta- li 13CrMo4-5. Wytworzone warstwy natryskiwane pod- dano badaniom twardości, określono przyczepność do podłoża, porowatość warstw oraz chropowatość przed obróbką wykańczającą. Przedstawiono parametry wy- twarzania warstw przeznaczonych do pracy w warun- kach obciążenia. Abstract Surface layer create by arc spraying has been investi- gated. As an addition material Inconel 625 has been used and spray on low alloyed steel type 13CrMo4-5 as a base material. Created layer has been researched in the ran- ge of hardness, surface adhesion, porosity and surface roughness before postspray machining. Variables of lay- ers to work in service conditions creating have been pre- sented. Wstęp Nadstopy na osnowie niklu są materiałami wyka- zującymi dużą odporność na zużycie w trudnych wa- runkach eksploatacyjnych. Agresywne środowisko w postaci cieczy lub gazów wymaga zastosowania wie- loskładnikowych stopów o właściwościach ukształto- wanych poprzez zawartość wielu pierwiastków stopo- wych. Skład chemiczny stanowi kilkanaście pierwiast- ków o znaczeniu podstawowym i kilkanaście pierwiast- ków uzupełniających. Złożony skład chemiczny i wła- ściwości poszczególnych pierwiastków klasyfikują nad- stopy na osnowie niklu jako materiały trudno spawalne. Ponadto problematyczne staje się wykorzystanie nad- stopów podczas spajania materiałów różnoimiennych w procesie napawania. Materiały stanowiące podłoże często wymagają zabiegów dodatkowych przed spa- waniem oraz muszą wykazywać spawalność z wybra- nym nadstopem jako materiałem dodatkowym. Podjęto próbę zmiany właściwości warstwy wierzchniej za po- mocą natryskiwania łukowego. Jako materiał podłoża wykorzystano stal niskostopową 13CrMo4-5. Materiał ten o składzie chemicznym (%): C – 0,16; Mn – 0,64; Si – 0,19; P – 0,012; S – 0,015; Cr – 0,94; Mo – 0,47; Cu – 0,19; Al – 0,019 charakteryzuje się dobrą plastycz- nością na zimno i na gorąco, jest łatwo obrabialny me- chanicznie, może być stosowany w temperaturze do 550°C. Stal 13CrMo4-5 w postaci blach, odkuwek czy prętów jest stosowana w przemyśle energetycznym i chemicznym. Materiału dodatkowego w postaci Inconelu 625 uży- to w procesie natryskiwania łukowego. Spośród nadsto- pów na osnowie niklu, Inconel 625 o składzie chemicz- nym (%) C – 0,02; Mn – 0,2; Si – 0,2; Cr – 22; Ni – osno- wa; Mo – 9; Nb – 3,3; Fe – 1 wykazuje bardzo dobrą odporność na zużycie w warunkach eksploatacji [1÷5]. Dobra odporność korozyjna Inconelu 625 może być znacznie zredukowana przez udział materiału podłoża w warstwie wierzchniej, lecz wymieszanie się nadsto- pu z pierwiastkami pochodzącymi z podłoża, charakte- rystyczne dla napawania, nie występuje podczas na- tryskiwania łukowego. Dzięki temu wytworzona war- stwa wierzchnia ma założone właściwości w odległo- ści już kilku mikrometrów od linii osadzenia, z jedno- czesnym brakiem negatywnego oddziaływania pier- wiastków pochodzących z podłoża [6]. Ponadto 57Przegląd sPawalnictwa 12/2011 niskotemperaturowe oddziaływanie materiału dodatko- wego na podłoże jest korzystne dla materiałów wyma- gających stosowania dodatkowych zabiegów wstęp- nych. Parametry natryskiwania powinny zostać tak dobrane, aby temperatura podłoża nie przekroczyła 160°C, wówczas nie występuje strefa wpływu ciepła charakterystyczna dla procesów napawania. Opis eksperymentu Przygotowanie materiału podłoża przed natryski- waniem polegało na oczyszczeniu i odtłuszczeniu oraz rozwinięciu powierzchni w procesie obróbki strumie- niowo-ściernej ziarnem korundowym o średnicy ziaren 0,3÷0,5 mm, ciśnienie powietrza nadmuchującego ścierniwo wynosiło 4,5 bar. W związku z tym, że po ob- róbce ściernej ok. 1% korundu zagnieżdża się w obra- bianym materiale, konieczne jest ponowne oczyszcze- nie powierzchni w celu usunięcia pozostałych ziaren korundu. Obróbkę strumieniowo-ścierną przeprowa- dza się bezpośrednio przed natryskiwaniem, aby czas oddziaływania z otoczeniem był jak najkrótszy. Zastosowano Inconel 625 w postaci drutu proszko- wego o średnicy 1,6 mm. Pozostałe parametry natry- skiwania przedstawiono w tablicy. Badanie twardości wykonano na przekrojach po- przecznych próbek metodą Vickersa z zastosowaniem obciążenia wgłębnika wynoszącym 0,3 kg. Rozkład twardości w warstwie natryskiwanej i w materiale podło- ża zbadano w kierunku oddalania się od linii osadzenia oznaczonej w początku układu współrzędnych (rys. 1). W wyniku braku wymieszania materiałów podczas natry- skiwania, twardość wytworzonej warstwy nie zmienia się w funkcji odległości od podłoża. Podczas natryskiwania temperatura materiału podłoża nie przekroczyła 160°C i nie utworzyła się strefa wpływu ciepła charakterystycz- na dla procesów napawania. Wystąpił niewielki wzrost twardości materiału podłoża o zasięgu do 15 µm od li- nii osadzenia w wyniku naprężeń i ciepła przekazane- go przez natryskiwane drobiny materiału dodatkowego (rys. 1 i 3). Poza tym obszarem materiał podłoża ma po- stać niezmienionego strukturalnie rdzenia. Mikrostruktura warstwy natryskiwanej składa się z odkształconych plastycznie drobin z umieszczonymi między nimi pasmami tlenkowymi, niestopionymi dro- binami i porami (rys. 4). Mikrostruktura stali nie ulega przemianom cieplnym na skutek oddziaływania tempe- ratury z zakresu poniżej występowania SWC w stali. Materiał podłoża w całej objętości ma strukturę ferry- tyczno-perlityczną niewrażliwą na oddziaływanie tem- peratury o wartości mniejszej niż 160°C. Wytrzymałość powłoki i przyczepność do podłoża określono podczas próby odrywania powierzchni czo- łowych. Wykonano serię dziesięciu prób przyczepności warstwy. Różnice wartości siły zrywającej są niewiel- kie i średnia wartość przyczepności wynosi 26,4 MPa, przy czym najmniejsza siła zrywająca ma wartość 24,3 MPa, a największa siła zrywająca wynosi 28,6 MPa. Wartości te wskazują na dobrą przyczep- ność warstwy natryskiwanej do podłoża. O trwałości czasowej w warunkach obciążenia warstwy natryskiwanej w dużym stopniu decyduje jej Tablica. Parametry natryskiwania łukowego Table. Parameters of arc spraying Natężenie prądu, A Napięcie łuku, V Ciśnienie powietrza, bar Prędkość liniowa natryskiwania, cm/s Prędkość podawa- nia drutu, m/min odległość od podłoża, mm 250 30 4 45 15 250 Rys. 1. Rozkład twardości w warstwie natryskiwanej i w materiale podłoża Fig. 1. Hardness distribution in the spraying layers and substrate Rys. 2. Wyniki pomiarów chropowatości warstwy natryskiwanej; wartości parametrów Rz = 112,1 i Ra = 21,6 Fig. 2. Spraying layer surface roughness measurements results, the value of parameters rz = 112,1 and Ra = 21,6 Rys. 3. Linia osadzenia i od- kształceń powstałych w materia- le podłoża; warstwa natryskiwana od lewej; podłoże od prawej Fig. 3. Deposition line and de- formations in the substrate, arc sprayed layer on the left, substra- te on the right Rys. 4. Struktura warstwy na- tryskiwanej Fig. 4. Structure of arc spray- ed layer 58 Przegląd sPawalnictwa 12/2011 chropowatość. W strumieniu mediów zawierających składniki wywołujące korozję, wystające z powierzch- ni drobiny powodują zwiększenie zużycia wskutek zwiększonej szybkości przepływu korozyjnych mediów i efektu wymywania. Badanie polegało na skanowaniu głowicą pomia- rową pięciu równoległych ścieżek, odległych od siebie o 1 mm. Długość jednej ścieżki wynosiła 175 mm, na- tomiast długość pomiarowa na tym odcinku to 125 mm. Uzyskane wyniki chropowatości są dość duże, lecz jest to cecha warstw natryskiwanych łukowo niepoddanych obróbce mechanicznej. Znaczne zmniejszenie chropo- watości jest możliwe dzięki zastosowaniu obróbki wy- kańczającej w postaci skrawania lub szlifowania. Ob- róbka skrawaniem jest nieco utrudniona ze względu na znaczną ciągliwość Inconelu 625 i wymaga stoso- wania specjalnych narzędzi skrawających. Za pomocą szlifowania końcowego możliwe jest zmniejszenie chropowatości o ponad 90%. Z punktu widzenia wła- ściwości eksploatacyjnych najbardziej istotne są para- metry ra i rz [7]. Parametr Ra ma postać średniej aryt- metycznej bezwzględnych rzędnych profilu wewnątrz odcinka pomiarowego i obliczany jest jako całka pola pod wykresem, parametr rz jest wysokością chropo- watości wg 10 punktów i oblicza się go jako średnią od- ległość 5 najwyżej położonych wierzchołków od 5 naj- niżej położonych wierzchołków (rys. 2). Warstwy natryskiwane łukowo z Inconelu 625 pod- dano badaniu porowatości. Przy użyciu metody gra- ficznej pomiaru uzyskano wynik na poziomie 9,8%. Dla materiałów tego typu wykazujących dużą lepkość i przy grubości warstwy powyżej 1 mm, wynik ten jest w zu- pełności zadowalający i nie wpłynie na obniżenie wła- ściwości użytkowych warstwy (rys. 4). Wnioski Uzyskana twardość warstwy natryskiwanej jest nieduża i zawiera się w przedziale 300÷350 HV0,3, dzięki temu szybko i łatwo można przeprowadzać mechaniczną obróbkę wykańczającą za pomo- cą szlifowania. Biorąc pod uwagę dużą gęstopłyn- ność Inconelu 625 uzyskano porowatość na pozio- mie 10%, co przy grubości warstwy powyżej 1 mm nie wpływa negatywnie na jej właściwości eksplo- atacyjne. Przyczepność warstwy wynosi 26,4 MPa i jest wystarczająca do zastosowań w warunkach Literatura [1] Nowacki J., Wypych A., Wpływ technologii napawania na jakość napoin, Mat. Konf. XXXIII Szkoły Inżynierii Materiało- wej Kraków – Ustroń 4-7 X 2005, s. 261-266. [2] Nowacki J., Wypych A., Zrobotyzowane napawanie stali nie- stopowych nadstopami niklu, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, 5/2005, r. 49, s. 58-65. [3] Nowacki J., Wypych A., Problemy zużycia i modyfikacji war- stwy wierzchniej głowic silników okrętowych, Przegląd Spa- walnictwa 7/2010, s. 2-7. [4] Nowacki J., Wypych A., Napawanie w regeneracji głowic cy- lindrowych silników okrętowych, Przegląd Spawalnictwa – art. przyjęty do druku. obciążenia, ponadto warstwa jest spójna – nie uległa rozwarstwieniu w próbie rozciągania. Podczas natry- skiwania łukowego Inconelu 625 na stal 13CrMo4- 5 najwyższa temperatura podłoża nie przekracza 160°C, a naprężenia powstałe w wyniku odkształ- ceń w strukturze podłoża mają zasięg do 15 µm. Przy założonych parametrach natryskiwania łukowe- go możliwe jest wytworzenie warstwy z Inconelu 625 jako warstwy wierzchniej przeznaczonej do użytku w warunkach obciążenia. [5] Formanek, B.; Szymanski, K.; Szczucka-Lasota, B.; Wlodar- czyk, A., New generation of protective coatings intended for the power industry Journal of Materials Processing Tech. Vo- lume: 164-165, Complete, May 15, 2005, s. 850-855. [6] Thivillon, L.; Bertrand, Ph.; Laget, B.; Smurov, I., Potential of direct metal deposition technology for manufacturing thick functionally graded coatings and parts for reactors compo- nents, Journal of Nuclear Materials Volume: 385, Issue: 2, March 31, 2009, s. 236-241. [7] Zhong, Z.W.; Peng, Z.F.; Liu, N., Surface roughness charac- terization of thermally sprayed and precision machined WC– Co and Alloy-625 coatings Materials Characterization Volu- me: 58, Issue: 10, October, 2007, s. 997-1005. W następnym numerze Paweł Cegielski, Andrzej Kolasa, Krzysztof Skrzyniecki, Paweł Kołodziejczak Komputerowy system do badań właściwości statycznych i dynamicznych źródeł energii elektrycznej do spawania łukowego Krzysztof Pańcikiewicz, Sławomir Kwiecień, Edmund Tasak Właściwości złączy spawanych ze stali 7CrMoVTiB10-10 (T24) po obróbce cieplnej Aneta Ziewiec, Paweł Zbroja, Edmund Tasak Skłonność do pęknięć gorących, austenitycznej stali Super 304H przeznaczonej do pracy w podwyższonej temperaturze