PS 8 2016 WWW.pdf 25PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 8/2016 Własności napoin na narzędziach rolniczych The properties of welds on agricultural implements Prof. dr hab. inż. Andrzej Ambroziak; dr inż. Piotr Białucki; dr inż. Artur Lange; dr inż. Adam Kurzawa; dr inż. Marcin Kaszuba – Politechnika Wrocławska; mgr inż. Dominik Janicki – Agro//Selnet. Autor korespondencyjny/Corresponding author: artur.lange@pwr.edu.pl Streszczenie Przedmiotem badań były napawane ostrza narzędzi maszyn rolniczych do uprawy gleby. W metodzie napawa- nia płomieniowego użyto proszku stopowego na osnowie niklu w mieszaninie z różną zawartością proszku węglika wolframu. Badania polegały na wykonaniu pomiarów twar- dości, makro i mikrostruktury, analizy chemicznej napoiny i podłoża. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że podczas napawania zachodzi częściowe rozpuszczanie się ziaren węglika wolframu w osnowie, co powoduje wzrost twardości warstwy. Ponadto, nie stwierdzono niekorzyst- nych zmian obniżenia twardości w stali w wyniku oddziały- wania ciepła napawania. Twardość stali przed napawaniem wynosiła 36 HRC, a w strefie SWC 38-56 HRC. Badania metalograficzne ujawniły, że materiał proszku do napawania bardzo dobrze zwilża powierzchnie stali bez jej nadtopienia, w wyniku czego tworzy się z podłożem wyraźnie widoczna strefa dyfuzji. Słowa kluczowe: napawanie, modyfikacja powierzchni, napawanie narzędzi Abstract The subject of the study were surfaced blade tools of agricultural machinery for soil preparation. In the flame surfacing method was used alloy powder matrix of nickel in a mixture with different contents of tungsten carbide po- wder. The research involved making a measurement of hard- ness, macro and microstructure, chemical analysis of the deposit and the substrate. The results showed that while sur- facing, partial dissolution of tungsten carbide grains in the matrix, which increases the hardness of the layer. In addition, no adverse changes to reduce the hardness of the steel by the heat surfacing. The hardness of the steel before hardfa- cing was 36 HRC, while in the zone SWC 38-56 HRC. Metallographic examination revealed that the powder du- ring surfacing well wets the surfaces without melting the ste- el, thereby forming a substrate diffusion zone clearly visible. Keywords: pad welding, surface modification, hardfacing of tools Wstęp Produkcja maszyn rolniczych należy obecnie do jednej z najszybciej i najbardziej dynamicznie rozwijających się branż w Polsce. Wiąże się to ze znacznym podniesienie ja- kości i innowacyjności krajowych maszyn rolniczych [12]. Nowoczesne maszyny rolnicze stawiają wysokie wyma- gania narzędziom służącym do uprawy gleby celem zapew- nienia niezawodnej i długotrwałej pracy. Redliczki, stopki, noże, lemiesze itp. podlegają bardzo intensywnemu zuży- ciu w kontakcie z różnym materiałem ściernym zawartym w uprawianej glebie. Obecnie często stosowanym materiałem na te narzędzia są trudnościeralne stale niskostopowe typu HARDOX 400 [8,9], HARDOX 500 [7,10], które wykazują wysokie właściwości wy- trzymałościowe i ścierne, szczególnie w trudnych warunkach eksploatacji erozyjno-tribologicznej. Stosując te stale należy zwrócić uwagę na oddziaływanie ciepła spawania/napawania tych stali [6], powodujące rozpuszczanie się wydzieleń węgliko- wych [9] i powodujące istotne obniżenie twardości stali nawet do 23 HRC [7]. Efektem tych niekorzystnych zmian jest zmniej- szenie odporności na zużycie ścierne stali HARDOX do pozio- mu, jaki w tych samych warunkach wykazuje stal S700MC [8], która jest zalecana jako wariant bardziej ekonomicznego Andrzej Ambroziak, Piotr Białucki, Artur Lange, Adam Kurzawa, Marcin Kaszuba, Dominik Janicki rozwiązania. Na narzędzia rolnicze stosowana jest też stal wę- glowa z dodatkiem boru gat. B27 [7], zaliczana do grupy stali odpornych na ścieranie, a której właściwości istotnie zależą od struktury po obróbce cieplnej [11]. Celem zwiększenia odporności na ścieranie ostrzy na- rzędzi urabiających glebę proponuje się zabiegi cieplnoche- miczne, np. borowanie [1] lub różne metody spawalnicze napawania twardymi spoiwami [2,3,4,5,9]. Warstwa borków na powierzchni ostrza zwiększyła trwałość narzędzia ponad trzykrotnie w porównaniu do części oryginalnej [1]. Podobny, trzy- czterokrotny wzrost trwałości narzędzi uzyskano rów- nież znacznie tańszymi niż borowanie spawalniczymi meto- dami napawania zarówno metodami łukowymi jak i gazowy- mi, w przypadku napawania laserowego nawet pięciokrotny [4]. Narzędzia rolnicze z napawanymi ostrzami można zna- leźć już w ofertach handlowych firm [13]. W przedstawionej pracy zaprezentowano wyniki badań właściwości napoin wykonanych metodą gazową z prosz- ków stopowych na osnowie niklu zmieszanych z proszkiem węglika wolframu. Warstwy napawano na podłoże stalowe, którego skład chemiczny przedstawiono w tabeli I. przeglad Welding Technology Review 26 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 8/2016 Zawartość pierwiastków stopowych w % C Mn Si P Si Cr Ni Mo V W Cu Al Co 0,41 0,74 0,27 0,014 0,006 0,82 0,16 0,15 0,016 0,016 0,18 0,026 0,005 Tablica I. Wyniki spektralnej analizy chemicznej stali napawanego narzędzia Table I. Chemical composition of modified steel tool Napawanie wykonano na stali w stanie ulepszonym ciepl- nie do twardości 36 HRC. Na rysunku 1a przedstawiono wyniki pomiaru twardości napawanego narzędzia, na którym widać, że w części stali pod warstwą nie tylko nie nastąpiło zmięk- czenie materiału od ciepła procesu napawania, lecz nastą- pił wzrost twardości do ok. 56 HRC. Daje to korzystny układ współpracy twardej warstwy na sztywnym twardym podłożu stalowym pod działaniem obciążeń podczas urabiania gleby. Do napawania zastosowano mieszaninę proszku stopo- wego na osnowie niklu z różną ilością proszku węglika wol- framu i różną wielkością cząstek węglika. a) Rys. 1. Struktura ostrza narzędzia agregatu rolniczego z napoiną - rozkład twardości w materiale stali. Traw. 2% nitalem, pow. 5x. Fig. 1. Structure of the tool tip agricultural unit of welds - the distri- bution of hardness in the steel material. Etched 2% nital, Magn. 5x. Na rysunku 2 przedstawiono warstwę o grubości 0,8 mm zawierającą cząstki węglika o wielkości ok. 0,25 mm. War- stwa wykazuje wyraźną porowatość, a ponadto tuż przy podłożu widoczny jest pas metalu osnowy będący strefą re- akcji (rozpuszczania, dyfuzji ) stali i osnowy warstwy. Śred- nią twardość w poszczególnych obszarach próbki przedsta- wiono na rysunku 2d. Na rysunku 3 przedstawiono warstwę o grubości 0,4 mm zawierającą cząstki węglika o wielkości 0,06 mm z większą ilością węglika niż w warstwie poprzedniej. a) b) c) d) Rys. 2. Struktura i twardość materiałów w obszarze ostrza napa- wanego płomieniowo proszkiem stopowym na osnowie niklu z do- datkiem ziaren węglika wolframu; a) makrostruktura, b) ziarna WC, c) osnowa napoiny, d) rozkład twardości, e) linia wtopienia, f) war- stwa i stal. Traw. 2% nitalem. Pow. 50x i 500x Fig. 2. The structure and hardness of the material of the blade hard surfaced with the flame using the alloy nickel based powder con- taining tungsten carbide grains; a) macrostructure, b) WC particle, c) matrix of layer, d) hardness distribution, e) fusion line, f) layer and steel. Etch. 2% nital. Magn. 50x and 500x e) f) a) b) c) d) e) f) Rys. 3. Struktura i twardość materiałów w obszarze ostrza na- pawanego płomieniowo proszkiem stopowym na osnowie niklu z dodatkiem ziaren węglika wolframu; a) makrostruktura, b) osno- wa napoiny, c) ziarno WC, d) rozkład twardości, e) linia wtopienia, f) stal. Traw. 2% nitalem. Pow. 50 i 500x Fig. 3. The structure and hardness of the material of the blade hard surfaced with the flame using the alloy nickel based powder conta- ining tungsten carbide grains; a) macrostructure, b) matrix of layer, c) WC particle, d) hardness distribution, e) fusion line, f) steel. Etch. 2% nital. Magn. 50x and 500x W warstwie występują drobne pory oraz lokalnie pęknię- cia poprzeczne (rys. 3 b). Osnowę warstwy stanowi stop o właściwościach wskazujących na podatność do przeta- piania. Wartości średnie zmierzonych twardości poszcze- gólnych obszarów próbki przedstawiono na rysunku 3d. Twardość podłoża stalowego wynosi ok. 571 HV1, twardość osnowy warstwy wynosi ok. 661 HV1, a cząstki węglika mają twardość ok. 1493 HV1. Wygląd odcisków z pomiarów twardości pokazano na rysunku 3b,c,e,f. Jak można zauwa- żyć z tych rysunków, wokół odcisków materiał warstwy uległ spękaniu, co może świadczyć o tym, że warstwa nie została całkowicie przetopiona. Natomiast w poprzedniej warstwie pokazanej na rysunku 2 takich pęknięć nie stwierdzono. 27PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 8/2016 Wyniki analizy metalograficznej z mikroskopu elektro- nowego przedstawione na rysunku 4 pokazują rozkład po- szczególnych pierwiastków i udział ich w poszczególnych obszarach analizowanej warstwy napawanej. Rysunek 4a przedstawia linowy rozkład pierwiastków od osnowy niklo- wej aż do materiału podłoża oraz punktową analizę węglika warstwy przedstawionej na rysunku 2 Wynika z niej obec- ność niewielkiej grubości (około 20μm) strefy dyfuzyjnej na granicy warstwa podłoże. Natomiast rysunek 4b przedsta- wia analizę linową oraz punktową warstwy przedstawionej na rysunku 3. Analiza ta wskazuje na częściowe rozpuszcze- nie węglika w osnowie. a) b) Rys. 4. Mikrofotografia SEM i analiza XRD napoin Fig. 4. Microphotography SEM and XRD analysis of layers Literatura [1] Bartkowski D., A. Młynarczak, M. Gościański, The effect of diffusion bo- riding on durability of the agricultural tools used in the soil. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2012, Vol. 32, nr 4. [2] Rybacki P., Wzmocnić lemiesz i redlicę. http://agro-technika.pl/archiwa/ wzmocnic-lemiesz-i-redlice/. 2015-08-26. [3] Rybacki P., Redlice i lemiesze. Czterokrotnie trwalsze po napawa- niu. http://www.agropolska.pl/technika-rolnicza/transport/redlice-i- lemiesze-czterokrotnie-trwalsze-po-napawaniu,16,3.html 2015-08-26. [4] Selech J., M. Paczkowska, G. Kinal, B. Baran, W. Chruscinski, The com- parison of effects of thermal spraying eutalloy 10112 and laser alloying with silicon nitride of cast iron outmost Disk Coulter. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering 2015, Vol. 60(1) [5] Dudziak B., M. Gościański. 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. 2012, Vol. 57(1). [6] Dudziński W., Ł. Konat, G. Pękalski. Structural and strength characteri- stics of wear-resistant martensitic steels. Archives of Foundry Engine- ering. 2008, V o l . 8 (2) pp. 2 1 - 26. [7] Kostencki P., B. Łętkowska, R. Nowowiejski. Polowe badania odporności na zużycie ścierne lemieszy płużnych wykonanych ze stali z dodatkiem boru. Tribologia, 2013, nr 3. s. 49-79. [8] Zdravecká E., Tkáčová J., Ondáč M., Effect of microstructure factors on abrasion resistance of highstrength steels. Res. Agr. Eng., 2014, Vol. 60, s. 115–120. [9] Adamiak M., J. Górka, T. Kik. Comparison of abrasion resistance of selec- ted constructional materials. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2009, Vol. 37 (2). pp. 375-380. [10] Dorota KAPCIŃSKA-POPOWSKA. Porównawcze badania zużycia ścierne- go nowej generacji stali hardox 500 i materiałów powszechnie stosowa- nych. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering” 2011, Vol. 56(1). [11] Frydman, S. , Łętkowska, B. Odporność na kruche pękanie współcze- snych stali niskowęglowych z borem. Górnictwo Odkrywkowe. 2011 | R. 52, nr 3-4 | 17-24. [12] http://automatykaonline.pl/. 2015-10-07. [13] http://www.agroselnet.pl/. 2015-10-07. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań próbek stalowych z nałożonymi twardymi warstwami można wyciągnąć nastę- pujące wnioski: – Napawanie gazowe stali niskostopowej w stanie ulepszonym cieplnie nie tylko nie spowodowało obniżenia twardości w materiale rodzimym, ale częściowo nawet doszło do podhartowania materiału w obszarze pod warstwą. Twardość stali pod warstwami wynosi od 571 HV1 do 672 HV1, co stanowi dobre podłoże dla twardej kruchej warstwy podczas pracy narzędzia w warunkach eksploatacyjnych. – Materiał osnowy warstwy dobrze zwilża cząstki węglika tworząc zwartą napinę odporną na wykruszanie się twardych cząstek podczas zużycia ściernego, jakie występuje przy uprawie gleby. – W warstwach napawanych zawierających duże ziarna węglika zaobserwowano większą porowatość niż w warstwach z mniejszymi ziarnami. W warstwach zawierających drobne cząstki węglika zaobserwowano nieliczne pęknięcia, które nie powinny mieć negatywnego wpływu na pracy narzędzia przy uprawie gleby. – Mikroanaliza rentgenowska XRD wykazała obecność warstwy dyfuzyjnej pomiędzy napoiną a podłożem co świadczy o silnym metalicznym połączeniu obu materiałów istotnym dla zapewnienia dużej trwałości narzędzi.