201110_PSpaw.pdf 23Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Tomasz Chmielewski Dariusz Golański napawanie brązu berylowego stellitem metodą Mcaw stellite surfacing by Mcaw welding of beryllium bronze Dr inż. Tomasz Chmielewski, dr hab. inż. Dariusz Golański – Politechnika Warszawska. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań napawania brązu berylowego CuBe2 (wg PN-EN 1654) stopem na- rzędziowym Stellite 1. Celem procesu było regenerowa- nie oraz modyfikowanie krawędzi monolitycznych narzę- dzi roboczych oraz wkładek do form przeznaczonych do formowania wtryskowego tworzyw sztucznych. Jako me- todę napawania zastosowano napawanie łukowe drutem elektrodowym rdzeniowym w atmosferze gazu ochron- nego obojętnego I1 (wg PN-EN ISO 14175). Warunki na- pawania dobierano według kryterium stopnia wymiesza- nia napoiny z podłożem na poziomie ok. 10%, zapewnia- jącym dobre połączenie napoiny z podłożem oraz niskie rozcieńczenie napoiny materiałem podłoża. Podczas ba- dań właściwości napoin ujawniono budowę mikrostruk- turalną układu podłoże-powłoka oraz wykonano rozkła- dy twardości w płaszczyźnie przekroju podłoże-napo- ina. W strefie wpływu ciepła odnotowano znaczny spa- dek twardości materiału podłoża wynikający ze szcze- gólnych właściwości brązów berylowych. Cykl cieplny napawania spowodował rozrost ziarna w obszarze prze- grzania oraz lokalne przesycenie stopu, co było bezpo- średnią przyczyną obniżenia twardości. Abstract The results of Cu-Be hardfacing (CuBe2 according to PN-EN1654) by Stellite 1 tool alloy have been presented. The process was applied for modification and remanu- facturing of monolithic edges in tools and inserts used for molds working in injection forming of plastics. The cored wire arc hardfacing in I1 inert gas has been chosen as the deposition method. The microstructure observations together with hard- ness measurements across deposit/substrate interface have been conducted. Substantial hardness drop in sub- strate material has been found which was related with special properties of beryllium alloys. The hardfacing thermal cycle induced grain growth in overheated area and local solutioning of the alloy which was the direct reason of hardness loss. Wstęp Modyfikacja powierzchni metodami spawalniczy- mi przez napawanie znajduje częste zastosowanie w inżynierii powierzchni ze względu na liczne zalety po- włoknapawanych. Spośród wielu metod stosowanych w inżynierii powierzchni do wytwarzania powłok meta- licznych i kompozytowych metaliczno-ceramicznych, powłoki napawane charakteryzują się największą gru- bością oraz przyczepnością do materiału podłoża. Zastosowanie napawania związane jest najczęściej z modyfikacją powierzchni części maszyn (na etapie ich wytwarzania) lub regeneracją połączoną najczę- ściej z modyfikacją. Ze względu na wysoką opłacal- ność procesu regeneracji drogich i skomplikowanych części maszyn, napawanie stosowane jest coraz czę- ściej i zaczyna dotyczyć również trudno spawalnych materiałów podstawowych [1]. Przedstawiono pro- ces napawania form wykonanych z brązu berylowego CuBe2NiCo stellitem 1 metodą MCAW (Metal Cored Arc Welding) w gazie osłonowym obojętnym – metoda 139 wg PN-EN ISO 4063. 24 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Właściwości i zastosowanie brązów berylowych Stopy Cu z Be (nazywane tradycyjnie brązami be- rylowymi) zawierają do 2,1% głównego pierwiastka stopowego, często Co i Ni, a niekiedy do 0,25% Ti. W normach europejskich są klasyfikowane w gru- pie stopów miedzi niskostopowych. Stopy te spośród wszystkich brązów wykazują najwyższe właściwości mechaniczne oraz odporność na korozję i ścieranie. Charakteryzują się dużą przewodnością cieplną i elek- tryczną (zwiększa ją dodatek Co), brakiem skłonności do iskrzenia oraz dobrą podatnością na obróbkę pla- styczną na zimno i gorąco. Obróbka cieplna stopów Cu z Be polega na utwar- dzaniu wydzieleniowym, chociaż mogą być one pod- dawane również niskotemperaturowej obróbce ciepl- no-mechanicznej. Utwardzanie wydzieleniowe skła- da się z przesycania z temperatury ok. 720÷760°C i starzenia w temperaturze ok. 300÷400°C. Twardość po utwardzeniu wydzieleniowym może osiągać nawet 340 HV, a wytrzymałość Rm ok. 1250 MPa. Stopy te mogą być również umacniane przez obróbkę plastycz- ną na zimno. Stopy miedzi z berylem są stosowane na elementy maszyn w wytwórniach materiałów wybuchowych i pro- chowniach, na szczotki silników elektrycznych i prze- wody trakcji elektrycznej, elektrody i przewody spawal- nicze, a także na sprężyny, niektóre łożyska ślizgowe, elementy pomp i narzędzia chirurgiczne. Stosowane są również na ekstremalnie obciążane elementy (wkładki) lub pełne formy do przetwórstwa tworzyw sztucznych. Podstawowe właściwości brązów berylowych to: brak iskrzenia podczas uderzenia, wysokie przewod- nictwo cieplne i elektryczne, podatność na odkształ- cenie na zimno i gorąco, wytrzymałość na rozciąganie Rm = 410÷1450 MPa, moduł Younga E = 115÷135 GPa, wydłużenie A = 1÷40%, dobre właściwości wytrzyma- łościowe po utwardzeniu wydzieleniowym, gęstość ρ = 8÷9 g/cm3, wysoka odporność na korozję. Właści- wości mechaniczne brązów berylowych utwardzonych zgniotem, a szczególnie utwardzanych dyspersyjnie, są porównywalne z właściwościami stali. Ze względu na ograniczoną rozpuszczalność berylu w miedzi, stopy Cu–Be można obrabiać cieplnie meto- dą przesycania i starzenia (rys. 1). Jak wynika z wykre- su układu równowagi faz Cu–Be, rozpuszczalność be- rylu w miedzi maleje z 2,1% w temperaturze perytek- tycznej 864°C do ok. 0,2% w temperaturze otoczenia. Faza β jest trwała jedynie w zakresie wysokiej tempe- ratury, a w temperaturze 575°C podlega eutektoidalne- mu rozpadowi na mieszaninę α + γ. Zastosowanie tech- niczne mają stopy zawierające poniżej 2,5% berylu. Charakterystyka Stellitu 1 Nazwa Stellite pochodzi od jaskrawego bły- sku jak nazwa gwiazdy – Stella. Stellity są stopa- mi na osnowie kobaltu, zawierającymi do 10% Fe, 35÷55% Co, 25÷33% Cr, 10÷25% W, 2÷3% C. Struk- tura tych stopów składa się z węglików rozlokowa- nych w osnowie kobaltowej. Temperatura topnie- nia stellitów wynosi ok. 1270°C, dzięki czemu mogą być one napawane na ostrza narzędzi i nie wyma- gają obróbki cieplnej. Ich twardość dochodzi do 62 HRC, a w temperaturze 600°C do ok. 50 HRC. Do badań przyjęto stop Stellite 1 o składzie: 50% Co, 33% Cr, 13% W oraz 2,5% C. Struktura stellitów wpływa na wysoką twardość oraz wysoką doraźną wytrzymałość na rozciąga- nie nawet w temperaturze powyżej 800°C, niezwykłą dla innych stopów odporność na korozję i ścieranie. Rys. 1. Układ równowagi fazowej Cu – Be [2] Fig. 1. Cu – Be phase diagram [2] Rys. 2. Wykres zależności wytrzymałości na rozciąganie od tempe- ratury dla stellitu 1 (linia ciągła) na tle innych stellitów [4] Fig. 2. The tensile strength change with temperature for stellite 1 (continuous line) in relation to other stellites [4] 25Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Twardość stellitu jest uzależniona od zawartości oraz morfologii węglików. Najwyższą twardością oraz wy- trzymałością Rm w wysokiej temperaturze charaktery- zuje się Stellite 1 – na rysunku 2 linią ciągłą zaznaczo- no zmianę jego wytrzymałości Rm w funkcji temperatu- ry na tle innych stopów. Stellity w związku z niskimi właściwościami pla- stycznymi są trudno odkształcalne oraz mają zdolność do kumulowania naprężeń powstających podczas na- pawania i wskutek wstrząsów termicznych. Stopy na osnowie kobaltu stosowane są zwłaszcza do wytwarzania powłok metodami spawalniczymi i po- krewnymi na tulejach pomp, czopach, wałach, wirni- kach, osłonach przeciwerozyjnych, śrubach wytłacza- rek tworzyw sztucznych, stemplach do pracy na zimno i na gorąco, zaworów oraz gniazd zaworowych silników spalinowych, matrycach i innych. Uzasadnieniem zastosowania stellitu na materiał powłokowy, oprócz jego właściwości mechanicznych, jest fakt tworzenia roztworu stałego pomiędzy kobal- tem i miedzią, co umożliwia uzyskanie złącza metalur- gicznego o dobrych właściwościach mechanicznych. Napawanie powłok modyfikacyjnych Proces napawania realizowano metodą MCAW (139) w gazie osłonowym obojętnym wg PN-EN ISO 4063. Materiał napoiny stanowił Stellit 1 w formie dru- tu rdzeniowego proszkowego oznaczony jako El-CO1 Elkrem. Zastosowano następujące parametry napawa- nia: natężenie prądu – 120 A, napięcie łuku – 22 V, średnica drutu elektrodowego – 2,8 mm, posuw drutu elektrodowego 2,9 m/min, wydatek gazu osłonowego (I1 wg PN-EN ISO 14175) 14 l/min. Zastosowana metoda MCAW polega na podtapia- niu powierzchni podłoża oraz topieniu drutu elektrodo- wego rdzeniowego proszkowego ciepłem łuku spawal- niczego, który jarzy się w osłonie gazowej między me- talową osłoną rurkową ciągłego drutu elektrodowego, mieszczącą rdzeń proszkowy, a przedmiotem napa- wanym. Schemat metody MCAW przedstawiono na ry- sunku 3. W przypadku drutów proszkowych krople meta- lu odrywają się od koszulki rurkowej, dlatego mają za- uważalnie szerszy obszar padania powodujący, że energia cieplna łuku jest wprowadzona do jeziorka na większej powierzchni niż podczas napawania drutem litym. Przetopienie spawanego materiału jest płytsze i szersze o regularnym kołowym kształcie, co zaleca tę metodę do napawania. Stopień wymieszania wykonanych napoin został określony za pomocą współczynnika udziału metalu podłoża w napoinie i mieścił się w zakresie od 7 do 10%. Udział metalu podłoża w napoinie Up zdefiniowa- no jako stosunek powierzchni przekroju nadtopionego Rys. 3. Schemat spawania łukowego drutem proszkowym w osłonie gazowej; Lw – długość wolnego wylotu elektrody [3] Fig. 3. The scheme of gas shielded metal cored arc welding process; Lw – electrode extension [3] Rys. 4. Podział napoiny na pole przekroju: nadlewu napoiny (Fn), nadtopionego metalu podłoża (Fw) Fig. 4. The hardface build-up cross section area: topweld (Fn), mel- ted substrate material (Fw) Rys. 5. Przykład formy do zgrzewania elementów pojemników spo- żywczych z tworzyw sztucznych Fig. 5. The picture of a stamp used for welding of plastic food con- tainers 26 Przegląd sPawalnictwa 10/2011 metalu podłoża Fw do sumy powierzchni przekroju nad- lewu napoiny Fn i metalu podłoża Fw (rys. 4): Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono przykłady na- poin ze Stellitu 1 wykonano na rzeczywistych narzę- dziach przemysłowych. Pierwsze zdjęcie przedstawia formę do zgrzewania elementów pojemników spożyw- czych z tworzyw sztucznych. Na kolejnym zdjęciu po- kazano wkładkę z brązu berylowego napawaną Stelli- tem 1, stosowaną do aluminiowych form do rozdmuchi- wania opakowań polimerowych. Po procesie napawania zastosowano obróbkę cieplną polegającą na przesycaniu i starzeniu stopu Cu-Be. Przesycanie (790°C, 2 h, chłodzenie w wodzie) miało na celu ujednorodnienie budowy mikrostruktural- nej stopu Cu-Be, ponieważ na skutek działania cyklu cieplnego napawania nastąpiło częściowe przesyce- nie w obszarze SWC powodujące lokalne zmiany wła- ściwości mechanicznych. Następnie przeprowadzono proces starzenia (320°C, 3 h, stygnięcie w powietrzu) w celu przywrócenia wysokich właściwości mecha- nicznych stopu Cu-Be do wartości zbliżonych do stanu sprzed procesu napawania. Badania metalograficzne napoin Na odpowiednio przygotowanych próbkach prze- prowadzono badania budowy strukturalnej napoin, wy- konywanych w różnych etapach. Pierwszy etap – bez- pośrednio po wykonaniu napoiny, miał na celu okre- ślenie właściwości SWC powstałej na skutek lokalnego przesycenia wywołanego cyklem cieplnym napawania (rys. 7). Następne badania wykonano po przesycaniu objętościowym, tj. obróbce cieplnej w piecu oporowym (rys. 8) oraz po starzeniu (rys. 9). Mikrostruktura SWC była zróżnicowana zgodnie z gradientem temperatury w jej szerokości. W paśmie ok. 3,5 mm od linii wtopienia Rys. 6. Wkładka z brązu berylowego napawana Stellitem 1 stoso- wana do aluminiowych form do rozdmuchiwania opakowań polime- rowych Fig. 6. The picture of beryllium insert hardfaced with Stellite 1 used in aluminum stamps for enlarging of polymer packages zaobserwowano bliźniaki wyżarzania, których śred- nia cięciwa zmieniała się i w obszarze linii wtopienia wynosiła ok. 120 µm, natomiast blisko granicy SWC z materiałem rodzimym ok. 67 µm. Mikrostruktura stopu CuBe2 w SWC po przesycaniu objętościowym (rys. 8) charakteryzowała się w całej objętości podło- ża dużą i regularną wielkością ziaren (średnia cięciwa 115 µm) i występowaniem granic bliźniaczych. Mikrostrukturę podłoża zbadano również po trze- cim etapie procesu, tj. po starzeniu w temperaturze 320°C, gdzie zauważono początki przemiany nieciągłej w okolicach granicy ziarna. Obszar wydzielenia nie- ciągłego przy granicy ziaren był niewielki, wyłącznie kilkuprocentowy w odniesieniu do obserwowanej po- wierzchni. Badania metalograficzne uzupełniono badaniem rozkładu twardości w przekroju poprzecznym napo- ina-podłoże i wykonano je po napawaniu oraz po prze- sycaniu i starzeniu. Pomiary twardości przeprowa- dzono za pomocą mikroskopu z twardościomierzem Leitz Wetzlar. Otrzymane wyniki posłużyły do wykonania Rys. 7. Mikrostruktura napoiny Stellite 1 na podłożu Cu-Be bezpo- średnio po napawaniu, 50x Fig. 7. Microstructure of Stellite 1 hardface deposited onto Cu-Be substrate (after hardfacing directly), 50x Rys. 8. Mikrostruktura SWC w podłożu Cu-Be po lokalnym przesyce- niu na skutek cyklu napawania cieplnego, 100x Fig. 8. Microstructure of HAZ in Cu-Be substrate (after local solutio- ning resulting from hardfacing thermal cycle), 100x 27Przegląd sPawalnictwa 10/2011 Rys. 9. Mikrostruktura SWC w podłożu Cu-Be po przesyceniu i starzeniu, 100x Fig. 9. Microstructure of HAZ in Cu-Be substrate after solutioning and aging), 100x wykresów rozkładu twardości. Zastosowano ocenę niepewności pomiarowej standardowej typu A, a obli- czone odchylenie standardowe średniej arytmetycznej przedstawiono bezpośrednio na wykresie. Na rysunku 10 przedstawiono wykresy twar- dości wykonane w przekroju poprzecznym pod- łoże-napoina. Twardość materiału rodzimego po napawaniu poza SWC wynosi ok. 300 µHV0,1. SWC charakteryzuje się szerokością ok. 3,5 mm oraz zróżnicowaną twardością (znaczny spadek w stosunku do materiału rodzimego) o najniższej Rys. 10. Rozkład twardości w przekroju poprzecznym podłoże (Cu- Be)-napoina (Stellite 1) Fig. 10. Microhardness distribution in the cross section of substrate (Cu-Be)-hardface (Stellite 1) Podsumowanie Omówiona technologia napawania może znaleźć zastosowanie zarówno na etapie regenerowania czę- ści maszyn, jak również może być stosowana do mo- dyfikacji powierzchni w procesie wytwarzania nowych części. Badania wykazały, że możliwe jest napawanie łukowe MCAW (139) brązów berylowych stellitem, a otrzymane napoiny charakteryzują się wysoką twar- dością (znacznie wyższą niż stopy na bazie Ni sto- sowane również do napawania stopów miedzi). De- gradacja materiału podłoża po napawaniu (SWC) wy- nika z częściowej rekrystalizacji ziarna oraz lokalne- go przesycenia, wywołanych cyklem cieplnym napa- wania. Zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej po napawaniu pozwala w znacznym stopniu odtwo- rzyć właściwości materiału w obszarze SWC do po- wartości ok. 110 µHV0,1. W napoinie stellito- wej zarejestrowano twardość na poziomie ok. 600 µHV0,1. Drugi wykres przedstawia rozkład twar- dości w przekroju poprzecznym podłoże-napoina próbki po połączonej obróbce cieplnej przesycania i starzenia. Nie odnotowano zmian twardości w na- poinie stellitowej. Zarejestrowano wzrost twardości w znacznej części SWC do poziomu materiału ro- dzimego oraz znaczące zawężenia pasma o niskiej twardości, którego szerokość ogranicza się po ob- róbce cieplnej do ok. 0,5 mm. równywalnych do stanu sprzed napawania. Wydziele- nie fazy równowagowej (po obróbce cieplnej) zaczy- na się na granicach ziaren. Literatura [1] Chmielewski T. Golański D.: Znaczenie spawalnictwa w pro- cesie remanufacturingu. Przegląd Spawalnictwa Nr 6/2011, s. 29-32. [2] Rdzawski Z., Głuchowski W.: Rudy i metale nieżelazne. Czasopismo naukowo-techniczne stowarzyszenia inżynie- rów i techników metali nieżelaznych, Nr 3/2009. [3] Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. Technologie. WNT, Warszawa 2000. [4] Properties of Deloro Stellite Alloys, Anglia, 1970.