PS 9 2016 WWW.pdf 39PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Wpływ składu mieszanin NiCrBSiFe+WSC i NiBSi+WSC  na ich mikrostrukturę i twardość Influence composition of mixtures NiCrBSiFe+WSC and NiBSi+WSC on their microstructure and hardness Mgr inż. Andrzej Żak, mgr inż. Konrad Sawras, prof. dr hab. inż. Włodzimierz Dudziński– Politechnika Wrocławska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: andrzej.zak@pwr.edu.pl Streszczenie Powłoki nanoszone metodą lutowania infiltracyjnego charakteryzują się wysoką odpornością na zużycie ścierne oraz dużą twardością. Z racji na wysoką komplikację na- noszenia powłok, postanowiono wykonać wstępne próby na drodze spiekania ziaren węglikowych z fazą ciekłą. Prze- prowadzone badania miały na celu wstępne rozpoznanie różnic pomiędzy proszkami NiCrBSiFe a NiBSi w kontekście mikrostruktur i twardości otrzymanych kompozytów. Posłu- żyły one do zaplanowania koncepcji dalszej pracy badaw- czej. Projekt prowadzony był we współpracy z firmą AGRO// SELNET. Słowa kluczowe: NiCrBSiFe; NiBSi; mikrostruktura Abstract Infiltration brazed coatings are characterized by high wear resistance and high hardness. Because of the high complexity of coating process, it was decided to per- form the initial samples by sintering the carbide grains with a liquid phase. The study aimed to initial recognition of the differences between NiCrBSiFe and NiBSi alloys in the context of the microstructure and hardness of the composites. These were used to plan the concept of further research. The project was performed in cooperation with AGRO//SELNET Company. Keywords: NiCrBSiFe; NiBSi; microstructure Wstęp Lutowanie infiltracyjne (ang. infiltration brazing) zo- stało opracowane w latach 70. XX wieku, jako metoda nanoszenia powłok odpornych na zużywanie ścierne. Półproduktem (tzw. prekompozytem) wykorzystywanym do przeprowadzenia procesu są elastyczne maty, zawie- rające proszek metaliczny i dodatek politetrafluoroetylenu (PTFE). Polimer ten jest stosowany w ilości od 1 do 15% masowych [1]. Poniżej temperatury topnienia stopu lu- towniczego PTFE rozkłada się i ulatnia, nie biorąc udziału w procesie lutowania. Struktury powstałe w wyniku procesu lutowania infiltra- cyjnego charakteryzują się wysoką twardością i odporno- ścią na ścieranie mineralne, dzięki czemu ten proces może być stosowany do wytwarzania warstw powierzchniowych elementów maszyn takich, jak łożyska, turbiny, cyklony lub brony do pługów. Zastosowanie kompozytowych mat węglikowych, charakteryzujących się dobrą plastycznością, pozwala na przeprowadzenie procesu lutowania infiltra- cyjnego in situ, co znacznie ułatwiła prace konserwacyjne w przypadku podzespołów wielkogabarytowych bądź wyjąt- kowo trudnych do demontażu. Na podstawie przeprowadzonych badań wstępnych oraz porównania ich z dostępną wiedzą teoretyczną sformułowa- no wnioski i przeprowadzono obserwacje, które mogą oka- zać się pomocne podczas analizy wpływu określonych para- metrów procesu lutowania infiltracyjnego na mikrostrukturę i wybrane własności mieszanek stopów lutowniczych i wę- glika wolframu. Cel i zakres badań Celem badań było określenie wpływu składu chemiczne- go spoiwa lutowniczego na mikrostrukturę próbek powsta- łych po spiekaniu ziaren węglikowych z fazą ciekłą stopów lutowniczych NiCrBSiFe oraz NiBSi. Do badań przy użyciu metod mikroskopii świetlnej wy- korzystano mikroskop świetlny Nikon Eclipse MA200 z oprogramowaniem NIS Elements BR. Obserwacje były prowadzone przy powiększeniach z zakresu x100 do x2000. Pomiary porowatości wykonano na zgładach, metodą planimetryczną. Do rejestrowania obrazów metodami mikro- skopii elektronowej wykorzystano mikroskop skaningowy Jeol JSM-6610A. Obrazy mikrostruktur powierzchni zgładu metalograficznego rejestrowano przy pomocy detektora elektronów rozproszonych wstecznie BSE, w trybie kontra- stu materiałowego. Pomiary twardości wykonano metodą Vickersa przy użyciu mikrotwardościomierza MMT-X3 zgod- nie z PN-EN ISO 6507-1:2007, pod obciążeniem 9,807 N. Czas trwania obciążenia wynosił 15 s. Andrzej Żak, Konrad Sawras, Włodzimierz Dudziński przeglad Welding Technology Review 40 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Materiały do badań Materiałami wykorzystanymi podczas badań były proszki stopów lutowniczych (rys. 1A, 1B) oraz topiony węglik wol- framu WSC (rys. 1C), dostarczone przez firmę AGRO//SEL- NET. WSC (niem. Wolframschmelzkarbid) jest mieszaniną eutektyczną węglików wolframu WC oraz W2C. Proszki te, w porównaniu z innymi węglikami, wykazują dobrą zwilżal- ność ciekłymi metalami [3]. Skład chemiczny substratów wykorzystanych w badaniach zestawiono w tablicy I. Wyniki badań Próbki proszków stopów lutowniczych NiCrBSiFe, NiBSi oraz mieszanek A i B poddano przetopieniu poprzez podgrza- nie do temperatury 1250° C, wytrzymanie w tej temperaturze przez 30 minut oraz schłodzenie do temperatury otoczenia wraz z piecem. Atmosferę 5% H2 + 95% N2 utrzymywano w piecu do osiągnięcia podczas chłodzenia temperatury 300 °C. Pozostały proces chłodzenia przebiegał na powietrzu. Stop NiCrBSiFe wykazał niewielką mikroporowatość oraz strukturę złożoną z trzech faz, których analiza strukturalna będzie przedmiotem dalszych badań (rys. 2). Stop NiBSi nie wykazał porowatości, a jego dwufazowa struktura była częściowo dendrytyczna (rys. 3). Mieszanki A i B, lutowane w atmosferze 5% H2 + 95% N2 wykazały występowanie istotnych różnic. Struktura powsta- ła z mieszanki A (NiCrBSiFe-WSC) o zawartości 40% węgli- ka WSC (rys. 4) charakteryzuje się mniejszą porowatością od mieszanki B (NiBSi-WSC), zawierającej 60% węglika WSC (rys. 5), co wstępnie potwierdza zależność wzrostu porowa- tości mieszanek wraz ze wzrostem zawartości procentowej węglika wolframu. Celem potwierdzenia wyników należy jed- nak rozszerzyć eksperyment o testy mieszanki A o zawartości 60% węglika WSC oraz o mieszanki B o zawartości 40% WSC. W mieszance A (NiCrBSiFe-WSC) zaobserwowano występo- wanie fazy przejściowej na granicach węglik-osnowa (rys. 4). Zaobserwowano również częściową dezintegrację ziaren proszku WSC i penetrację fazy ciekłej. Według danych literatu- rowych uwarunkowane jest to dobrą zwilżalnością ziaren WSC przez stop na bazie Ni [6]. Mikrostruktura próbki NiBSi-WSC charakteryzuje się występowaniem wyraźnej granicy między- Tablica I. Skład chemiczny stosowanych proszków stopów lutowniczych oraz mieszanek stopów lutowniczych z dodatkiem proszku węgli- ka wolframu WSC Table I. Chemical composition of the used braze alloys and mixtures of the braze alloy and WSC Typ proszku Masowa zawartość % C Si Mn P S Cr B Fe Ni W NiCrBSiFe 0,88 4,41 0,04 <0,001 0,007 15,4 2,97 3,38 reszta – NiBSi 0,03 3,10 – <0,001 0,003 – 3,01 0,015 reszta – WSC 4,50 – – – – – – – – reszta Rys. 1. Obraz proszków: A – NiCrBSiFe, B – NiBSi i C – WSC, SEM Fig. 1. Image of the powders: A – NiCrBSiFe, B – NiBSi, C – WSC, SEM. a) b) c) Rys.  2. Mikrostruktura stopu NiCrBSiFe poddanego przetopieniu w atmosferze 5% wodoru w azocie. Widoczna porowatość oraz zło- żona struktura wielofazowa. Mikroskopia świetlna. Fig. 2. Microstructure of the NiCrBSi sintered in 5% H2, 95% N2 at- mosphere. The apparent porosity and complex multiphase struc- ture. Light microscopy. Rys. 3. Mikrostruktura stopu NiBSi poddanego przetopieniu w at- mosferze 5% wodoru w azocie. Widoczna struktura dendrytyczna oraz brak makroskopowej porowatości. Mikroskopia świetlna. Fig. 3. Microstructure of the NiBSi sintered in 5% H2, 95% N2 atmos- phere. Visible dendritic structure and the absence of macroscopic porosity. Light microscopy. 41PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 fazowej pomiędzy węglikami, a osnową niklową, bez występo- wania dodatkowej fazy międzymetalicznej (rys. 5). Celem oceny jakości i użyteczności otrzymanych próbek, wykonano pomiary twardości metodą Vickersa (HV1). Wyni- ki zestawiono w tablicy II. Najwyższą twardością, sięgającą lokalnie powyżej 1000 HV1, charakteryzowała się mieszanka A, składająca się z proszków NiCrBSiFe i WSC. Mieszanka B wykazała niższą twardość, rzędu 500-600 HV1, wynikającą z własności zastosowanego stopu lutowniczego. Spowodo- wane jest to faktem, że stop NiBSi charakteryzuje się niższą twardością niż stop NiCrBSiFe (odpowiednio 336 i 639 HV1). Duży rozrzut pomiarów wykonanych dla mieszanek A i B spowodowany był występującą porowatością Docelowo na- leży rozważyć badanie twardości metodą uśredniającą po- miar z większego obszaru zgładu (HV10 lub HB). Należy jed- nak zaznaczyć, że nie twardość, a odporność na zużywanie Rys. 4. Mikrostruktura mieszanki A (NiCrBSiFe-WSC). Jasne obsza- ry reprezentują częściowo rozpuszczone w osnowie węgliki wolfra- mu. Wokół węglików wolframu widoczne kryształy nieciągłej fazy przejściowej. SEM, kontrast materiałowy. Fig.  4. The microstructure of a mixture of A (NiCrBSiFe-WSC). The bright areas represent partially dissolved in the matrix of tung- sten carbide. Around the tungsten carbide visible crystals discon- tinuous phase transition. SEM, material contrast. Rys. 5. Mikrostruktura mieszanki B (NiBSi-WSC). Widoczne liczne pory (czarne obszary) oraz niewielka ilość spoiwa lutowniczego (szare obszary). SEM, kontrast materiałowy. Fig. 5. Microstructure mix B (NiBSi-WSC). Visible plurality of pores (black areas), and a small amount of braze filler (gray areas). SEM, material contrast. ścierne powinna być najbardziej istotnym parametrem pod- czas porównywania wyżej opisanych materiałów. Nazwa próbki Pomiary twardości HV1 1 2 3 4 5 Mieszanka A 1081 564 886 1443 549 Mieszanka B 278 679 577 708 590 NiCrBSiFe 695 704 611 532 654 NiBSi 300 367 319 363 333 Tablica II. Wyniki pomiarów twardości próbek Table II. Results of hardness measurements of samples Podsumowanie Na podstawie analizy wyników przeprowadzonych badań stwierdzono, że: – Jest możliwe uzyskanie mieszaniny stopu lutowniczego oraz węglika wolframu w atmosferze 5% H2 + 95% N2, jednak przedstawia to większe problemy technologiczne, niż zastosowanie czystego wodoru. – Zastosowanie mieszaniny NiCrBSiFe+WSC pozwoliło na uzyskanie kompozytu o wyższej twardości niż w przypadku mie- szaniny NiBSi+WSC. – Stop NiCrBSiFe poddany przetopieniu w atmosferze 5% H2 + 95% N2 wykazuje dwa razy wyższą twardość niż stop NiBSi. – Mikrostruktura powłok wykonanych z mieszanki proszku lutowniczego NiCrBSiFe z proszkiem węglikowym WSC charak- teryzowała się występowaniem fazy przejściowej na granicy faz węglik-osnowa, podczas gdy w powłoce NiBSi-WSC faza przejściowa nie została zarejestrowana dla zastosowanych parametrów wytwarzania. – Dla kompozytu NiCrBSiFe+WSC zaobserwowano dezintegrację ziaren WSC i infiltrację fazy ciekłej wewnątrz eutektyki węglikowej. Literatura [1] Coating metallic substrate with powdered filler and molten metal, US Pa- tent nr 3743556, 1973. [2] Tobar M.J., Alvarez C., Amado J.M., Rodriguez G., Yanez A.: Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi–WC coatings on stainless steel, Surface & Coating Technology, 200 (2006) 6313-6317. [3] Fernandes C.M., Senos A.M.R.: Cemented carbide chase diagrams: A re- view, Elsevier B.V., 2011. [4] Schwartz M.: Brazing, 2nd Edition, ASM International, 2003. [5] Senkara J.: Sterowanie energią adhezji pomiędzy molibdenem i wolfra- mem a ciekłymi metalami w procesach spajania, Wydawnictwa Politech- niki Warszawskiej, Warszawa 1993. [6] Senkara J., Windyga A.: Podstawy teorii procesów spajania, Wydawnic- twa Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1990. [7] Morel S.: Powłoki dla ochrony przed zużyciem elementów maszyn i urzą- dzeń, w: Przegląd Spawalnictwa, Vol. 87, No 9 (2015). [8] Kondej A., Babul T.: Mikrostruktura natapianej powłoki Ni-Cr-B-Si, Prze- gląd Spawalnictwa Vol 88, No 3 (2016). [9] Broda T., Keitel S.: Resistance seam hardfacing and cladding of WC-Co in a NiCrBSi-Matrix, w: Przegląd Spawalnictwa, Vol 88, No 3 (2016)