VLIV ROZMÍSTĚNÍ ČÁSTIC KARBIDU WOLFRAMU V NÁVARU NA ODOLNOST PROTI OPOTŘEBENÍ Ing. Jindřich Kozák (IWE) VŠB - Technická Univerzita Ostrava, Fakulta strojní, 17. listopadu č. 2172/15, 708 33 Ostrava - Poruba, E-mail: jindrich.kozak@vsb.cz, tel.: +420 732 912 250. Abstrakt Příspěvek se zabývá studiem navařovaných vrstev obsahujících částice karbidu wolframu v martenzitické matrici. Pro výrobu návarů byla zvolena technologie navařování plněnou elektrodou v ochranné atmosféře směsného plynu. Do tavné lázně se sypaly částice WC o velikosti 1-2 mm, čímž vznikla vrstva kompozitního materiálu. Byly zvoleny dvě úrovně navařovacích parametrů a zkoumány výsledné vlastnosti návarů, především pak jejich odolnost proti abrazivnímu opotřebení při současném porovnávání množství zrn karbidu wolframu na povrchu návaru. 1.0.Úvod V průmyslu se v dnešní době používá různých technologií a kombinací materiálů, které zvyšují odolnost součástí proti řadě typů opotřebení, jako například abrazivní, adhezivní či jejich kombinací například s korozí a podobně. Mezi tyto technologie lze zařadit například žárové nástřiky (plazmové, plamenové, aj.) [1-3], různé metody navařování [4, 5], ke kterým patří navařování plamenové, laserové, plazmové, ale také navařování elektrickým obloukem v ochranné atmosféře plynu, použité v tomto příspěvku. Touto metodou lze dosáhnout různých výsledků při použití různých variant plněných elektrod. Na výsledné vlastnosti návarů pak mají vliv zvláště použité parametry navařování a množství vsypaných zrn karbidů wolframu. Pomocí všech těchto metod lze vytvořit ochranné vrstvy takzvaných kompozitních materiálů, které se skládají z houževnaté matrice obsahující tvrdé částice. Jako matrice se nejčastěji používají materiály na bázi niklu, železa, kobaltu a dalších, jako tvrdé částice pak lze použít různé druhy karbidů, nitridů, boridů, jež vyztužují matrici. Tato kombinace houževnatého a tvrdého materiálu následně dosahuje jedinečných vlastností, které těží z výhod obou materiálů. Takovéto materiály se pak vyznačují zvýšenou odolností proti opotřebení. V rámci tohoto příspěvku byl zkoumán vliv částic karbidu wolframu (WC) v kombinaci s železitou martenzitickou matricí na výsledné abrazivní vlastnosti ochranné vrstvy na povrchu konstrukční oceli jedná se tedy o heterogenní spoj [6]. Dále podobně jako v [7] byl studován vliv navařovacích parametrů a rozmístění částic v návaru [8, 9]. Pro dopravu částic WC do povrchové vrstvy bylo použito vibračního podavače Lincoln Electric. 1
2.0.Experimentální část 2.1.Materiály a technologie navařování Pro experiment byla jako základní materiál zvolena nelegovaná uhlíková ocel S235JR (viz tab. 1). V rámci tohoto příspěvku byly zkoumány výsledné vlastnosti návaru ve dvou různých provedeních. Celkem byly testovány 2 vzorky. Tab. 1 Chemické složení základního materiálu Chemické složení [hm. %] C Mn Si S P Cr Ni Cu 0,14 0,67 0,20 0,019 0,01 0,02 0,01 0,01 Ti Al As N Mo V Nb Fe 0,003 0,046 0,002 0,006 0,001 0,003 0,002 rest Pro návary vzorků TC02 a TC06 byl použitý přídavný materiál Megafil A 864M (viz tab. 2). Tato plněná elektroda o průměru 1,6 mm s kovovou náplní je určena pro dílce vystavené opotřebení v těžebním, ocelářském a zemědělském průmyslu apod. Drát je legován zvýšeným množstvím bóru, návar je ve výsledku tvořen převážně martenzitickou matricí. Zde byl použit ochranný plyn ve formě směsi argonu a dusíku (50%/50%). Tab. 2 Chemické složení přídavného materiálu pro vzorky TC02, TC06 Chemické složení [hm. %] C Si Mn P S Cr Ni B Fe 0,426 0,27 1,05 0,025 0,025 0,27 1,57 4,62 zbytek Byla zvolena technologie navařování plněnou elektrodou v ochranné atmosféře směsného plynu. U vzorků TC02 a TC06 bylo provedeno dodatečné sypání částic WC do roztavené lázně těsně za elektrický oblouk pomocí vibračního podavače. Byly zvoleny dvě úrovně svařovacích parametrů (viz tab. 3). Každý návar je tvořen 1 vrstvou skládající se z 6 svarových housenek. Tab. 3 Svařovací parametry TC02 TC06 Proud 250 A 210 A Napětí 27 V 28,3 V Rychlost 4-5 mm.s -1 6-7 mm.s -1 Průtok plynu 18 l.min -1 18 l.min -1 Částice WC (vel.) ano ( 1-2mm) ano ( 1-2mm) Množství 40g/100mm 40g/100mm Přídavný materiál A864 M A864 M Tepelný příkon 1,2 kj.mm -1 0,91 kj.mm -1 2
Naměřené hodnoty mikro-tvrdosti HV0.1 2.2.Měření mikro-tvrdosti Z provedených návarů byly vytvořeny vzorky, řezy kolmé na směr navařování. Na každém vzorku bylo provedeno 25 vpichů pro měření tvrdosti dle Vickerse HV0.1 (zatížení 0,98 N). Měření bylo provedeno směrem od povrchu návaru směrem k základnímu materiálu. Účelem měření bylo zjištění tvrdosti v oblasti návaru, hranice ztavení a tepelně ovlivněné oblasti v základním materiálu (viz obr. 1). Pro měření bylo použito zařízení Matsuzawa MMT- X7. 3000 Mikro-tvrdost HV0.1 2500 2000 1500 1000 500 0 TC02 TC06 1. 3. 5. 7. 9. 11. 13. 15. 17. 19. 21. 23. 25. Číslo vpichu směrem od povrchu návaru k základnímu materiálu Obr. 1 Hodnoty mikrotvrdosti HV0.1: Mikro-tvrdost částic karbidu wolframu se pohybuje u všech vzorků okolo 2000HV0.1 a výše. 2.3.Zkoušení odolnosti proti abrazi Test odolnosti proti opotřebení odpovídá standardu ASTM G65 (obr. 2). Pro test byly použity vzorky ve formě kvádrů. Přebroušená plocha návaru o rozměrech 50x20 mm je následně vystavena působení sypaného abraziva (křemičitý písek velikosti 0,1 až 0,6 mm, množství 27-32 g.min -1 ) za současného přítlaku 23N (výsledek použití 5kg závaží a pákového převodu, viz obr. 2) ke gumovému kolu rotujícímu rychlostí 60 ot.min -1. Test je rozdělen do 5 cyklů, kdy po každých 12 minutách došlo ke změření hmotnosti a určení hmotnostního úbytku. Obr. 2 schéma testu opotřebení [10] 3
3.0.Diskuze výsledků 3.1.Mikrostruktura návaru a naměřené hodnoty mikro-tvrdosti HV0.1 Návar TC02 (viz obr. 3) je tvořen převážně martenzitickou matricí s podílem zbytkového austenitu. Matrice dosahuje tvrdosti až 932 HV0.1. V matrici jsou zakotveny částice karbidu wolframu o velikosti 1-2 mm, dosahujících tvrdosti až 2789 HV0.1. Poměr částic WC k matrici odpovídá přibližně 40%/60%. Tyto částice se nacházejí převážně ve spodní části návaru, což je způsobeno vyšší hmotností částic oproti matrici. V průběhu tuhnutí lázně karbidy wolframu klesly k hranici ztavení. Tento jev má zpočátku negativní vliv na výslednou odolnost návaru proti opotřebení. Povrch částic WC je částečně natavený - šířka nataveného pásma se pohybuje v rozpětí 10-20 µm. Tloušťka návaru dosahuje 5 mm. V návaru se vyskytují trhliny, které pravděpodobně vznikly v důsledku rozdílné rychlosti chladnutí matrice a částic WC, se souběžným působením zbytkových pnutí v navařené vrstvě. Tyto trhliny však nemají významnější negativní vliv na funkci návaru. Matrice Matrice WC Základní materiál Obr. 3 Snímky mikrostruktury návaru vzorku TC02 pořízené elektronovým mikroskopem. Matrix U návaru TC06 (viz obr. 4) byl v porovnání se vzorkem TC02 zvolen nižší svařovací proud, z čehož vyplývá použití menšího množství přídavného materiálu, nižší natavení jednotlivých částic WC (5-10 µm) a také snížená soudržnost částic WC s matricí návaru. Nižší tepelný příkon vedl ke snížení průvaru do základního materiálu, což mělo za následek zvýšenou praskavost návaru. Při zkoumání průřezu navařeného vzorku bylo zjištěno, že částice WC jsou v návaru rozprostřeny rovnoměrně v poměru přibližně 38,4%/61,6%. Částice WC dosahují tvrdosti až 2390 HV0.1. Tvrdost matrice dosahuje až 948 HV0.1. Maximální tvrdost v tepelně ovlivněné oblasti dosáhla 346 HV0.1. Tloušťka návaru se pohybuje mezi 4 a 5 mm. V návaru se opět vyskytují trhliny a dutiny (obr. 6), jejichž míra výskytu je oproti vzorku TC02 již tak vysoká, že snižuje výslednou soudržnost návaru a způsobuje jeho částečné vylupování. 4
Váhový úbytek [mg] Matrice Matrice WC Obr. 4 Snímky mikrostruktury návaru vzorku TC06 pořízené elektronovým mikroskopem. 3.2.Zkoušení odolnosti proti abrazivnímu opotřebení Nejlepšího výsledku v rámci tohoto experimentu dosáhl vzorek TC06 (286 mg) s podílem částic WC k matrici 38,4%/61,6%. Tento vzorek vykazuje oproti vzorku TC02 (631 mg) méně než poloviční úbytek hmotnosti v testu. Toho je dosaženo především optimálnějším rozmístěním částic WC na povrchu návaru (viz obr. 5). Ty tak poskytují dostatečnou podporu houževnaté matrici. Vzhledem k tomu, že částice WC na povrchu vzorku TC02a zabírají pouze 7-8% plochy, byla navržena úprava návaru (viz obr. 8). Úprava spočívala v odstranění 1,5 mm vrstvy návaru, která obsahovala nízké procento výskytu části WC. Touto úpravou tedy došlo k jejich odkrytí a dosažení zvýšeného podílu částic WC na povrchu návaru (přibližně 24-25% plochy povrchu návaru, vzorek TC02b). Po opětovném provedení testu došlo ke snížení hmotnostního úbytku z původních 631 mg na 293 mg. Experiment prokázal přímý vliv podílu a rozmístění částic WC na výslednou odolnost návaru proti abrazivnímu opotřebení. V praxi by tedy po relativně rychlém obroušení prvotní vrstvy matrice z počátku servisního života součásti došlo k průběžnému zpomalení opotřebení součásti. 700 600 Odolnost návaru proti abrazi 500 400 300 200 100 0 TC02a TC02b TC06 Obr. 5 Porovnání hmotnostních úbytků jednotlivých vzorků. TC02a zobrazuje úbytek před úpravou návaru, TC02b po úpravě. 5
a) b) c) Obr. 6 Zobrazení návarů po testu opotřebení TC02a (a), TC02b (b), TC06 (c). Na obrázcích lze vidět množství a rozmístění částic WC na povrchu návaru. Povrchy všech vzorků vykazují výskyt jak mělkých tak i hlubších rýh způsobených abrazivem. K jejich vzniku došlo jak takzvaným ploughingem (zatlačování materiálu), tak cuttingem (vyřezávání materiálu ostrou hranou abraziva). Rýhy jsou převážně ve směru pohybu abraziva vůči povrchu návaru. Avšak u vzorků se vyskytují i místa (viz obr. 7), kdy orientace prohlubní zcela neodpovídá směru pohybu abraziva, což ukazuje na přítomnost rotace částic a odchylky jejich pohybu vůči původnímu směru. Rýhy ve většině případů končí na rozhraní matrice a částice karbidu wolframu, která tak tvoří překážku. Abrazivo se tak odchýlí od původního směru své dráhy a dále nepoškozuje povrch matrice. Směr pohybu abraziva je zobrazen ve formě šipky na obr. 7. a) a) b) b) Obr. 7 Porovnání povrchů vzorků TC02 (a) a TC06 (b) po testu opotřebení 6
Míra natavení [µm] 3.3.Porovnání parametrů a natavení částic WC v matrici Obrázek 8 uvádí porovnání míry natavení jednotlivých částic karbidu wolframu v závislosti na použitém svařovacím proudu u vzorků TC02 a TC06. 25 20 Míra natavení částic WC TC02 15 10 TC06 5 0 210 250 Svařovací proud [A] Obr. 8 Zobrazení stoupající míry natavení částic karbidu wolframu v závislosti na svařovacím proudu 4.0.Závěr Zásadní vliv na vlastnosti návarů má vnesené teplo a použitá technologie navařování, kterou lze dosáhnout vyhovujících návarů s požadovanými vlastnostmi, ale i návary s nevyhovujícími vlastnostmi, s vylupujícími se částmi návarů. Dosažené výsledky provedených zkoušek lze charakterizovat následně: byla zjištěna přímá úměra mezi použitým svařovacím proudem a mírou natavení vsypaných částic karbidu wolframu u vzorků TC02 a TC06. kombinace martenzitické matrice se sypanými částicemi karbidu wolframu ve formě vzorku TC06 vykazuje nejnižší hmotnostní úbytek testu opotřebení ze všech testovaných vzorků. To je způsobeno především zvýšenou přítomností částic WC na povrchu návaru oproti vzorku TC02 současně s rovnoměrnějším rozmístěním v matrici návaru. došlo k ověření předpokladu, že na odolnost kompozitních návarů tvořených houževnatou matricí a tvrdými částicemi, má přímý vliv podíl těchto částic na povrchu návaru a jejich rozmístění. studií opotřebených povrchů vzorků bylo ověřeno působení abraze. Došlo ke vzniku rýh převážně ve směru pohybu abraziva po povrchu návaru. Tyto rýhy byly způsobeny především dvěma jevy - takzvaným cuttingem a ploughingem. 7
5.0.Literatura 1. Melendez, N.M.; McDonald, A.G.; Development of WC-based metal matrix composite coatings using low-pressure cold gas dynamic spraying, Vol. 214, Surface & Coatings Technology, Elsevier, 2013, p. 101-109 2. Krishna, B.V. and collective; Microstructure and properties of flame sprayed tungsten carbide coatings, Vol. 20, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, Elsevier, 2002, p. 355-374 3. Voyer, J.; Marple, B.R.; Sliding wear behavior of high velocity oxy-fuel and high power plasma spray-processed tungsten carbide-based cermet coatings, Vol. 225-229, Wear, Elsevier, 1999, p. 135-145 4. Rombouts, M. and collective; Development and characterization of nickel based tungsten carbide laser cladded coatings, Vol. 5, Physics Procedia, 2010, p. 333-339 5. Mendez, P.F. and collective; Welding processes for wear resistant overlays, Vol. 16, Journal of Manufacturing Processes, Elsevier, 2014, p. 4-25 6. Krejčí, L.; Hlavatý, I.; Ševčíková, X.; Transition zones study of the heterogenous welded joints. Metal 2013, Brno, p. 785-789, ISBN 978-80-87294-41-3 7. Just, CH.; Badish, E. and Wosik, J.; Influence of welding current on carbide/matrix properties in MMCs, Vol. 210, Journal of Materials Processing Technology, Elsevier, 2010, p. 408-414 8. Kamdi, Z.; Shipway, P.H.; Voisey, K.T.; Sturgeon, A.J.; Abrasive wear behaviour of conventional and large-particle tungsten carbide-based cermet coatings as a function of abrasive size and type, Vol. 271, Wear, Elsevier, 2011, p. 1264-1272 9. Van Acker, K. and collective; Influence of tungsten carbide particle size and distribution on the wear resistence of laser clad WC/Ni coatings, Vol. 258, Wear, Elsevier, p. 194-202 10. Case Study: Polyurethane Abrasion Testing Results. [online]. [cit. 2015-3-26]. Available from WWW: < http://www.gallaghercorp.com/design_guide-case_study_on_poly_abra.html > Klíčová slova: karbid, wolfram, navařování, elektrický oblouk, železná matrice, vibrační podavač, abraze 8