201109_PSpaw.pdf 27Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Hanna Smoleńska Włodzimierz Kończewicz Jerzy Łabanowski Regeneracja zaworów silników okrętowych metodą napawania laserowego regeneration of marine engine valves using  laser hard-facing Dr inż. Hanna Smoleńska, dr hab. inż. Jerzy Łabanowski – Politechnika Gdańska, mgr inż. Wło- dzimierz Kończewicz – Akademia Morska w Gdyni. Streszczenie Analizowano możliwości zastosowania napawania laserowego proszkiem na bazie kobaltu przylgni zawo- ru wylotowego okrętowego silnika Diesla. Po przygoto- waniu przez obróbkę skrawaniem, wyselekcjonowane zawory poddano napawaniu laserowemu z wykorzysta- niem lasera wysokiej mocy ROFIN DL020. Do napawa- nia użyto proszku EuTroLoy 16012. Jeden z zaworów zo- stał pocięty i poddany badaniom metalograficznym oraz pomiarom twardości, a pozostałe zawory zostały za- instalowane w silniku okrętowym, w którym pracowa- ły przez ok. 3000 h. Badania przeprowadzone dla sta- nu wyjściowego wykazały typową strukturę dendrytycz- ną napoiny, charakterystyczną dla warstw napawanych, z równomiernie rozłożonymi wydzieleniami węglików w obszarach międzydendrytycznych oraz w minimalnym stopniu zmienioną strukturę w podłożu stalowym. Ana- logiczne badania wykonano dla zaworów po okresie eksploatacji. Przylgnie zaworów wykazywały niewielkie efekty zużycia. W mikrostrukturze napoiny stwierdzono nieznaczne zmiany spowodowane głównie efektami pro- cesów dyfuzyjnych zachodzących w temperaturze pracy oraz spadek twardości. Technika napawania laserowe- go okazała się bardzo przydatna do regeneracji zawo- rów silników okrętowych. Abstract We analyzed the applicability of cobalt-based powder laser hard-facing of exhaust valve face of marine diesel engine. After preparation by machining, using of high-po- wer Rofin DL020 laser selected valves were hard-facing. The EuTroLoy 16012 powder were used. One of the va- lves were cut and subjected to metallographic examina- tions and hardness measurements, while the other va- lves were assembled in the engine, which worked for abo- ut 3000 h. The tests conducted for the baseline showed a characteristic for surfaced layers dendritic structure of the overlay with carbides uniformly deposited in interden- dritic areas and minimally changed the structure of the substrate steel. A similar study conducted for the valves after the operation. Valves face showed a little effects of wear. The microstructure of the deposit was found mo- stly minor changes due to the effects of diffusion proces- ses occurring in the operating temperature and a decre- ase of hardness. Laser hard-facing technique has proven very useful for the regeneration of marine engine valves. Wstęp Zjawiska jednoczesnego obciążenia mechanicz- nego, cieplnego i korozyjnego wpływają na trwałość i bezpieczeństwo eksploatacji takich elementów jak zawory wylotowe silników okrętowych, które podda- wane są obciążeniom mechanicznym o charakte- rze statycznym i dynamicznym, zmiennej temperatu- rze, oraz korozyjnemu środowisku spalin o składzie uzależnionym od jakości stosowanego paliwa. Jedną z metod pozwalających na wydłużenie trwałości za- worów wylotowych silników okrętowych jest wytwarza- nie na powierzchni przylgni zaworu, a więc na stosun- kowo niewielkiej, ale najsilniej obciążonej powierzchni – warstwy wykonanej z materiału o znacznie większej 28 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 odporności na zużycie niż materiał rodzimy zaworu. Z tego względu stosowane są głównie stopy na ba- zie kobaltu (stellity), stopy na bazie niklu lub materia- ły na bazie kompozytów ceramicznych [1÷5]. Technolo- giczne metody wytwarzania warstw wierzchnich to sto- powanie lub napawanie laserowe i plazmowe [6÷10]. W artykule przedstawiono możliwość zastosowania napawania laserowo warstw z proszku na bazie kobal- tu jako powłok zwiększających odporność powierzch- ni przylgni na procesy zużycia i korozji. Istnieje tak- że możliwość wykorzystania tej metody do wytwarza- nia powłok naprawczych [10]. Dobrze dobrany mate- riał do napawania dzięki swojemu składowi chemicz- nemu zapewnia zarówno dobrą odporność na koro- zję wysokotemperaturową w środowisku spalin zawie- rających siarkę (niska zawartość niklu, wysoka zawar- tość chromu, średnie zawartości wolframu), jak i wyso- ką twardość oraz odporność na ścieranie. Zawór z tak wytworzoną warstwą utwardzającą był z powodzeniem eksploatowany w rzeczywistych warunkach – w silniku głównym statku przez 3000 h. Materiał do badań Badane zawory silników okrętowych wykonano ze stali H10S2M (0,374% C; 9,34% Cr; 0,402% Mn; 0,344% Ni; 2,46% Si; 0,822% Mo; 0,0162% P; 0,001% S) – odpowiednik wg. norm PN-EN X40CrSiMo10-2. Zawory poddano obróbce mechanicznej przed napa- waniem warstwy utwardzającej. Na powierzchniach przylgni wykonano podtoczenia o szerokości ok. 6 mm i głębokości ok. 0,8 mm (rys. 1). Na tak przygotowane powierzchnie przylgni napawano za pomocą wiązki la- serowej warstwę z proszku EuTroLoy 16012 o składzie chemicznym podanym w tablicy I. Do napawania wy- korzystano laser diodowy dużej mocy ROFIN DL020. W celu określenia warunków napawania laserowe- go przylgni grzybków zaworów wykonano próby wstęp- ne napawania w pozycji podolnej po torze kołowym krążków o grubości 8 mm i średnicy 75 mm ze sta- li zaworowej X40CrSiMo10-2. Uzyskano warstwy na- pawane pozbawione pęknięć oraz wad wykrywalnych metodami badań nieniszczących, a także wykazują- ce gładkie i równe lico. Warunki pracy zaworów wy- magały uzyskania warstwy o szerokości 8,5÷9,0 mm i grubości napoiny 4,0÷4,5 mm. Ustalono, że optymal- ne wyniki otrzymuje się przy zastosowaniu parametrów napawania zestawionych w tablicy II. Szczegółowe pa- rametry procesu napawania były następujące: długość ogniskowa wiązki lasera – 82 mm, szerokość wiązki la- sera na powierzchni napawanej – ok. 6,8 mm, prze- pływ gazu (argonu) przenoszącego proszek – 2 l/min, przepływ gazu ochronnego (argonu) – 6 l/min, średnica dyszy podajnika proszku – 1,2 mm, kąt pochylenia dy- szy – ok. 40o, odległość dyszy od jeziorka spawalnicze- go – ok. 10 mm. Zakładka ściegów wynosiła 30÷40% (ok. 3,0 mm). Stosowano wstępne podgrzewanie za- woru do temperatury 250÷300oC. Po napawaniu zawory zostały poddane obróbce skrawaniem w celu nadania im odpowiedniej geome- trii (rys. 2). Obróbkę mechaniczną napawanych przy- lgni grzybków zaworowych przeprowadzono na tokar- ce uniwersalnej TUC−40. Obróbkę wykańczającą wy- konano za pomocą szlifowania szlifierką Christ-Mari- ne AB75H. Grubość warstwy napawanej po szlifowa- niu wynosiła 1,2 mm. Część tak przygotowanych zaworów poddano bada- niom niszczącym w celu określenia ich struktury, składu chemicznego oraz twardości (rys. 3). Wykonano: – badania metalograficzne warstw napawanych w stanie wyjściowym na przekrojach prosto- padłych do powierzchni oraz na powierzchni przylgni z wykorzystaniem mikroskopu optycznego i SEM; Rys. 1. Powierzchna przylgni zaworu przygotowanego do na- pawania laserowego Fig. 1. Prepared valve face for laser hard-facing Tablica I. Skład chemiczny proszku Table I. Chemical composition of the powder Proszek Skład chemiczny, % mas. C Si Cr W Ni Mo Fe Co EuTroLoy 16012 1,55 1,21 29,7 9,0 2,0 0,01 1,7 reszta Tablica II. Warunki technologiczne napawania laserowego proszko- wego laserem HPDL ROFIN DL020 Table II. Technological conditions for powder laser hard-facing by HPDL ROFIN DL020 laser Parametry na- pawania Moc lasera kW Prędkość napawa- nia, m/min Natężenie podawania proszku g/min Grubość ściegu na- poiny, mm Szero- kość ściegu mm 1 warstwa – 2 ściegi 1,0-1,2 0,2 5,0 1,0-1,2 5,5-6,0 2 i 3 warstwa – 2 ściegi 1,1-1,2 0,2 5,0 1,3-1,5 6,0-6,5 Rys. 2. Zawory po napawaniu laserowym Fig. 2. Valves after laser hard-facing 29Przegląd sPawalnictwa 9/2011 – analizę składu chemicznego w poszczególnych charakterystycznych obszarach metodą EDAX; – pomiary mikrotwardości na przekroju napoin. Pozostałe zawory zostały zainstalowane w silniku głównym statku i pracowały w rzeczywistych warun- kach przez 3000 h. Po tym czasie zawory zostały zde- montowane i poddane szczegółowym oględzinom oraz cyklowi badań takiemu samemu jak dla zaworów bez- pośrednio po napawaniu. Wyniki badań Mikrostrukturę przekroju przy powierzchni warstwy napawanej laserowo przedstawiono na rysunku 4. Ob- serwowano typową, kierunkową strukturę dendrytycz- ną. W obszarach dendrytycznych występuje auste- nit kobaltowy umocniony roztworowo przez takie pier- wiastki jak chrom i wolfram. Eutektyki międzydendry- tyczne i węgliki są bogate w chrom, wolfram i krzem. Analiza fazowa wykazała obecność węglików typu M12C (Co6W6C) i M23C6 (Cr23C6). Na granicy napoina-stal nie zaobserwowano żad- nych wad, a w przeważającej części występowała wy- raźnie oddzielona warstwa napoiny o kierunkowej struk- turze dendrytycznej (rys. 5). Wykorzystując przystawkę EDS, wykonano anali- zę składu chemicznego na przekroju napoiny przy po- wierzchni oraz w pobliżu granicy napoina-stal. Dla porów- nania na wykresie podano także nominalny skład prosz- ku do napawania (rys. 6). Z rysunku 6 wynika, że w warstwie przygranicznej napoiny nastąpił znaczny wzrost zawartości żelaza na skutek wymieszania z materiałem podłoża podczas napawania. Rys. 3. Zawór po obróbce me- chanicznej Fig. 3. Valve after machining Dokonano także pomiaru twardości na przekro- ju warstwy napawanej. Ponieważ warstwa jest niejed- norodna (twarde obszary eutektyk międzydendrytycz- nych, wydzielenia węglików oraz obszary dendrytyczne o niższej twardości), wyniki pomiarów wykazują znacz- ny rozrzut. Wykonano 3 serie pomiarów, na przekroju prostopadłym do powierzchni, przy obciążeniu 200 g oraz obliczono średnią wartość mikrotwardości (rys. 7). Przez cały czas eksploatacji, 3000 h, zawory funk- cjonowały bardzo dobrze. Wymontowano je i podda- no oględzinom. Stwierdzono, że powierzchnia przylgni zaworu wylotowego uległa nieznacznej degradacji. Na rysunku 8 przedstawiono zmiany na powierzchni przy- lgni – wystąpienie warstwy zgorzeliny, a także śladów Rys. 4. SEM – typowa mikro- struktura wierzchniej warstwy napoiny – stan wyjściowy Fig. 4. SEM – typical micro- structure of the surface layer of the padding weld – baseline Rys. 5. SEM – mikrostruktura granicy napoina-stal Fig. 5. SEM – microstructure of deposit-steel boundary Rys. 6. Skład chemiczny napoiny przy powierzchni i w pobliżu gra- nicy napoina-stal oraz nominalny skład chemiczny proszku EuTro- Loy 16012 Fig. 6. Chemical composition of the padding weld close to surface and deposit-steel boundary and EuTroLoy 16012 powder chemical composition. Rys. 7. Twardość mierzona na przekroju prostopadłym do powierzch- ni napoiny – stan wyjściowy – 3 serie pomiarowe i wartość średnia Fig. 7. Hardness profiles in the perpendicular to deposit surface cross-section – initial state – 3 series of measurements and avera- ge value Rys. 8. Powierzchnia przylgni zaworu po 3000 h pracy Fig. 8. The surface of valve face after 3000 h operation 30 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 odkształceń plastycznych. Na rysunku 9 widoczna jest wielowarstwowa zgorzelina na powierzchni napoiny ze skłonnością do pękania i odwarstwiania się. Badania metalograficzne napoin po eksploatacji nie wykazały znaczących zmian w mikrostrukturze w sto- sunku do stanu po napawaniu (rys. 10, 11). Istotne zmiany stwierdzono w rozkładzie pierwiast- ków stopowych na przekroju napoiny. Na rysunku 12 przedstawiono skład chemiczny napoiny w obszarach przy powierzchni oraz na granicy napoina-stal. Porów- nując informacje z rysunków 6 i 12 można zaobserwo- wać, że podczas eksploatacji nastąpiła dyfuzja żelaza z podłoża stalowego do napoiny, a koncentracja żelaza wzrosła do ponad 30% w całej objętości napoiny. Tem- peratura pracy – ok. 750°C i długi czas ekspozycji sta- nowią wystarczające warunki dla przebiegu procesów dyfuzyjnych w napoinie. Zjawisko wzbogacania napo- iny w żelazo w wyniku dyfuzji z podłoża było widocz- ne we wcześniejszych badaniach, szczególnie wyraź- nie zjawisko to było obserwowane po dłuższych cza- sach ekspozycji, np. 200 h [12,13]. Na rysunku 13 przedstawiono rozkład twardości (HV0,2) na przekroju napoiny w stanie wyjściowym i po eksploatacji przez 3000 h. Widać istotne obniżenie twardości napoiny oraz SWC stali podłoża. Zjawiska dyfuzyjne w napoinie zachodzące pod- czas pracy w podwyższonej temperaturze oraz zmia- na morfologii węglików powodują zmniejszenie twardo- ści napoiny, chociaż jej twardość nadal pozostaje na Rys. 9. SEM – powierzchnia przylgni po 3000 h pracy: A – od- słonięta powierzchnia metaliczna, B, C – kruszące się kolejne war- stwy zgorzeliny Fig. 9. SEM – valve face surface after 3000 h work; A – uncovered metallic surface, B, C – crumble following layers of scale Rys. 10. SEM – mikrostruktura na przekroju prostopadłym do powierzchni napoiny po 3000 h pracy Fig. 10. SEM – microstructure of perpendicular to deposit sur- face cross-section, after 3000 h operation Rys. 11. SEM – mikrostruktura na granicy napoina-stal po pracy w silniku przez 3000 h Fig. 11. SEM – microstructure in the deposit-steel boundary after 3000 h operation in engine Rys. 12. Skład chemiczny napoiny przy powierzchni i w pobliżu gra- nicy napoina-stal po 3000 h pracy w silniku Fig. 12. Chemical composition of padding weld close to surface and in the deposit-steel boundary after 3000 h operation Rys. 13. Twardość mierzona na przekroju prostopadłym do po- wierzchni napoiny – stan po 3000 h pracy oraz porównanie z warto- ścią średnią dla stanu wyjściowego Fig. 13. Hardness profiles in the perpendicular to deposit surface cross-section – after 3000 h operations and comparison with avera- ge value for initial state Wnioski Napawanie laserowe przylgni zaworu stopem na bazie kobaltu zapewniło dobre właściwości użytko- we, co zostało potwierdzone wynikami badań prze- prowadzonych w rzeczywistych warunkach eksplo- atacji zaworu przez 3000 h. Zastosowanie technologii napawania laserowe- go umożliwiło uzyskanie warstwy o dobrych właści- wościach przy minimalizacji zużycia kosztownego proszku na bazie kobaltu. Napawanie laserowe dało możliwość precyzyj- nego kształtowania warstwy o założonych wymia- rach. Zastosowane rozwiązanie technologiczne może być praktycznie stosowane zarówno w celu wydłu- żenia czasu eksploatacji nowych zaworów, jak i dla potrzeb regeneracji. znacznie wyższym poziomie niż twardość podłoża wy- konanego ze stali zaworowej. Stan przylgni i właściwo- ści warstwy są na tyle dobre, że zawór mógłby być na- dal eksploatowany. 31Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Literatura [1] Kolaska H., DreyerK.: Metall 45 (1991) 224. [2] Schlager D., Theiler C., Kohn H.; Protection against high tem- perature corrosion with laser welded claddings, applied and tested on exhaust valve discs of large diesel engines burning heavy fuel oil; Materials and Corrosion 53, 103÷110 (2002). [3] Kawana, H. Ichimura, Y. Iwata, S. Ono; Development of PVD ceramic coatings for valve seats; Surface and Coatings Tech- nology 86-87 (1996) 212-217. [4] Elliott P.; Choose materials for high-temperature environ- ments; Chemical Engineering Progress; New York; Feb 2001, Vol. 97 (2). [5] Ming-xi Li, Yi-zhu He, Guo-xiong: Laser cladding Co-based alloy/SiCp composite coatings on IF steel; Sun Materials and Design, 25 (2004) 355-358. [6] Peidao D., Jianglong L., Gongqi S., Shouze Z., Pengjun C.; Laser surface alloing of a low alloy steel with cobalt; Journal of Materials Processing Technology, 58 (1996) 131-135. [7] Gemelli E., Gallerie A., Caillet M.: Improvement of Resistan- ce to Oxidation by Laser Alloying on a Tool Steel; Scripta Ma- terialia, Vol. 39, No. 10, (1998) 1345-1352. [8] Kvernes: In: Coatings for high temperature applications (Eds. E. Lang), Elsevier Applied Science Publishers, London and New York 1983, 361-394. [9] Hidouci, Pelletier J.M., DucoinF., Dezert D., Guerjouma R. E: Microstructural and mechanical characteristics of laser co- atings; Surface and Coatings Technology, 123 (2000). [10] Jendrzejewski R., Conde A., De Damborenea J., Sliwinski G.; Characterisation of the laser-clad stellite layers for protective coatings; Materials and Design, 23 (2002). [11] Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej pt.: Opracowa- nie warunków technologicznych napawania laserowego i pla- zmowego proszkami na osnowie kobaltu, przylgni grzybków zaworów ze stali X40CrSiMo10-2 oraz wykonanie partii prób- nej zaworów GRANT KBN – 015721 4TO8C 06224. [12] Smolenska H.; The elevated temperatures influence on the cobalt base cladding layer; Inżynieria Materiałowa. – 2010, nr 3(175), s. 366-368. [13] Kończewicz W., Smoleńska H.: The resistance investiga- tion of the marine engine exchaust valve using the modelling chamber; Journal of Kones Powertrain and Transport. – Vol. 15, nr 4 (2008), s. 255-262. Sesja II Technologie plazmowe w napawaniu Wtorek, 20.09.2011 Przewodniczący: prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki, prof. dr hab. inż. Johannes Wilden Godzina Część Autorzy Tytuł 900 A Prof. dr hab. inż. Jacek Senkara Politechnika Warszawska Oddziaływania międzyfazowe w procesie napawania plazmowego proszkowego 920 A Mgr inż. Mariusz Bober, prof. dr hab. inż. Jacek Senkara Politechnika Warszawska Badania porównawcze napawanych plazmowo warstw niklowych z węglikami Ti i Cr 940 A Dr inż. Jerzy Jakubowski, mgr inż. Piotr Wysocki, prof. dr hab. inż. Jacek Senkara Politechnika Warszawska Selektywne napawanie regeneracyjne warstw Ni-WC na tytanowe łopatki sprężarki silnika lotniczego 1000 A Prof. dr hab. inż. Andrzej Klimpel, dr inż. Agnieszka Rzeźnikiewicz Politechnika Śląska, Gliwice Technologia naprawy uchwytów klapy dużej biernej PRZERWA NA KAWĘ Przewodniczący: prof. dr hab. inż. Andrzej Kolasa, dr hab. inż. Igor Riabcev 1040 B Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes Wilden, Hochschule Niederheim, Niemcy Jean Pierre Bergman, TU Ilmenau Niemcy Automatisiertes Regenerieren von großen Tiefziehwerkzeugen 1100 B Dr inż. Hanna Smoleńska, Politechnika Gdańska Mgr inż. Włodzimierz Kończewicz, Akademia Morska Prof. dr hab. inż. Jerzy Łabanowski, Politechnika Gdańska Wykorzystanie napawania plazmowego do regeneracji zaworów silników okrętowych 1120 B Dr inż. Tomasz Kik, Dr inż. Jacek Górka, Dr inż. Artur Czupryński, Mgr inż. A. Martyniszyn Politechnika Śląska Napawanie krawędzi przedmiotów metodą TIG i PTA 1140 B Dr inż. Jacek Górka, Dr inż. Artur Czupryński, Dr inż. Tomasz Kik, Mgr inż. Marcin Melcer Politechnika Śląska Przemysłowe aplikacje napawania plazmowego proszkowego WSPÓLNA FOTOGRAFIA Program sesji posterowej na stronie 42 I Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna NAPAWANIE – POSTĘP i ZASTOSOWANIA Wrocław, 19-21 wrzesień 2011