Materiał badań i metodyka eksperymentu

Praca obejmowała przeprowadzenie dwóch eksperymentów, których celem było otrzymanie wzbogaconych w aluminium warstw wierzchnich uzyskanych na różnych materiałach podłoża przy zastosowaniu dwóch metod obróbki cieplno-chemicznej:

1) metoda obróbki dyfuzyjnej w aktywnym złożu fluidalnym

2) metoda obróbki dyfuzyjnej w ośrodku proszkowym – metoda konwencjonalna

Te dwie metody zostały wykorzystane do otrzymania stopowych warstw wierzchnich na podłożu stali dwufazowej typu duplex X2CrNiMoN22-5-3 (oznaczenie wg. EN 10088 stal 1.4462) o składzie podanym w tabeli 5 zmierzonym na Spektrometrze Iskrowym Q4 Tasman firmy Bruker. Dyfuzyjne aluminiowanie miedzi było eksperymentem uzupełniającym.

Tabela.5 Skład chemiczny stali X2CrNiMoN22-5-3

Zawartość pierwiastka w [%]

C Si Mn P S Cr Mo Ni Fe

0,033 0,24 1,87 0,03 0,015 21 2,58 4,9 reszta

Mikrostruktura materiału wyjściowego na zgładzie prostopadłym do kierunku walcowania została przedstawiona na rysunku 28. Wykazuje jednorodną budowę dwufazową. Pod tym określeniem rozumie się, że udział objętościowy faz austenitu i ferrytu jest w przybliżeniu stały w całej objętości stopu. W przypadku tej stali wynosi po 50%.

a) b)

Rys. 28.Materiał wyjściowy: a) mikrostruktura materiału wyjściowego – stal dwufazowa po trawieniu elektrochemicznym. γ – austenit; α - ferryt; b) dyfrakcyjna analiza fazowa

Do obróbki cieplno-chemicznej zastosowano stopowy proszek Fe-Al otrzymany metodą samoistnego rozpadu wysokoaluminiowego żeliwa. Frakcje tego proszku o zawartości 29% wag. Al i wielkości cząstek 40-125 µm, wykorzystano do wytworzenia złoża fluidalnego. Posłużono się w tym zakresie wynikami prac Bińczyka i Skrzypka [178-181]. To rozwiązanie dało możliwość wytworzenia aktywnego złoża fluidalnego z perspektywą jego wykorzystania do obróbki cieplno-chemicznej. Ten kierunek badań ma istotne znaczenie dla możliwości rozwoju tej techniki w kierunku bardziej złożonych obróbek jak np.: chromo-aluminiowania czy aluminiowania połączonego z azotowaniem itp.

Zróżnicowanie materiałów podłoża wynikało z kilku przesłanek:

1. Stal duplex została wytypowana celem uzyskania odpornych na ścieranie warstw, poprawy odporności na korozję oraz celem analizy zróżnicowanej dyfuzji w dwóch fazach o różnych sieciach krystalicznych i różnej gęstości upakowania przestrzennego atomów. Wzbogacenie w aluminium warstwy wierzchniej stworzy nowe obszary zastosowań tej stali. W oparciu o badania eksperymentalne jej dyfuzyjnego aluminiowania zostało opracowane zgłoszenie patentowe [163].

2. Równolegle do obróbki dyfuzyjnej w złożu fluidalnym, zastosowano wariant

konwencjonalnej obróbki cieplno-chemicznej w proszkach, dla celów porównawczych. Własności zastosowanego proszku, jako nośnika aluminium w obróbce fluidalnej, wprowadzały ograniczenie temperaturowe prowadzenia procesu maksymalnie do 830ºC, co wykazano doświadczalnie. Ze względu na ograniczenie temperatury zastosowanego złoża fluidalnego, podjęto próbę eksperymentalnego wykazania możliwości racjonalnego przeprowadzenia w tych warunkach obróbki cieplno-chemicznej dyfuzyjnego aluminiowania różnych metali i stopów.

3. Dyfuzyjne aluminiowanie miedzi było eksperymentem dodatkowym mającym na celu wykazanie przydatności złoża fluidalnego, jako bardziej uniwersalnej metody obróbki cieplno-chemicznej dyfuzyjnego aluminiowania pomimo, ograniczenia temperatury wygrzewania do 830 ºC, która dla stali może być traktowana jako dolna temperatura dopuszczalnych zakresów prowadzenia obróbki cieplno-chemicznej, a dla miedzi jest górnym zakresem temperatury takiej obróbki (wyniki uzupełniające rozdz. 7.3). Ponadto praktycznym celem wytypowania miedzi było uzyskanie umocnionych i odpornych na korozję stopowych warstw.

Dyfuzyjne aluminiowanie zarówno konwencjonalne w proszkach jak i w złożu fluidalnym odbywało się w mieszaninie stopowego proszku Fe-Al z dodatkiem aktywatora NH₄Cl, wraz z Al2O3 w proporcjach podanych tabeli 5.

Tabela 6. Skład chemiczny mieszanek proszku do aluminiowania

NH₄Cl [%] Al₂O₃ [%] Fe-Al [%] Inne

Metoda konwencjonalna 3 --- reszta

Metoda fluidalna opis patentowy opis patentowy reszta nadmuch N2

Obróbka fluidalna była realizowana w piecu fluidalnym FP 700 przystosowanym do pracy z fluidyzatorami o różnych średnicach. Wewnątrz została umieszczona retorta (fluidyzator) o wymiarach ø60×500mm. zawierająca złoże fluidalne (rys. 29a). Złoże fluidalne stanowiła mieszanka proszków o składzie zamieszczonym w tabeli 6. Fluidyzator wykorzystany w obróbce posiadał rurkowy ruszt z otwartym dostępem do powierzchni złoża (rys. 30a). Stan fluidalny został osiągnięty przez nadmuch azotu (99,999) o ciśnieniu ~100 kPa. Po osiągnięciu stanu fluidalnego do złoża zostały wprowadzone obrabiane próbki. Maksymalna temperatura obróbki, przy której możliwe było osiągnięcie stanu fluidalnego złoża o danym składzie była ustalona eksperymentalnie jako 830ºC (rys. 25a) i wynikała z faktu zachowania odpowiedniej ruchliwości złoża przy danym składzie chemicznym. Próbki były umieszczane bezpośrednio w nagrzanym i fluidyzowanym złożu. Po zadanym czasie próbki zostały powoli (w czasie ok. 10 min.) wyciągane ze złoża i chłodzone w strumieniu gazu fluidyzującego do temperatury ok. 200ºC, a następnie chłodzone w powietrzu. Eksperyment został wykonany w Zakładzie Obróbki Cieplnej Instytutu Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie wg. opracowanego projektu i opatentowanej procedury [163].

Obróbka konwencjonalna w proszkach była prowadzona w cylindrycznym tyglu o wymiarach ø50×120mm zamykanym wieczkiem, w którym znajdowała się mieszanka proszków, wraz z umieszczonymi obrabianymi próbkami (rys. 29b). Całość została umieszczona w komorze pieca oporowego i wygrzewana wg. schematu (rys 30b). Nagrzewanie przebiegało razem z piecem; prędkość nagrzewania wynosiła 100ºC/min. Po wygrzaniu dyfuzyjnym tygiel z próbkami był chłodzony, razem z piecem, z prędkością ok. 20ºC/min. do temperatury ok. 200 ºC, a następnie chłodzony na powietrzu. Eksperyment

został wykonany w Katedrze Metaloznawstwa i Metalurgii Proszków AGH wg. własnej procedury i własnego projektu.

Eksperymentalnie dobrane parametry prowadzenia procesów aluminiowania stali metodą konwencjonalną i fluidalną zamieszczono w tabeli 7. Główna zmienną był czas prowadzenia obróbki przy wcześniej eksperymentalnie dobranej temperaturze 830ºC.

a) b)

Rys. 29. Rozmieszczenie próbek podczas aluminiowania: a) fluidalnego; b) konwencjonalnego w proszkach

a) b)

Rys. 30. Schemat zabiegów cieplnych dyfuzyjnego aluminiowania: a) obróbka fluidalna; b) obróbka konwencjonalna w proszkach

Określenie „obróbka konwencjonalna” czy też „aluminiowanie konwencjonalne” używane w dalszej części pracy odnosi się do konwencjonalnego aluminiowania w proszkach.

Tabela 7. Parametry procesu dyfuzyjnego aluminiowania stali duplex

Metoda Temperatura [ºC] Czas obróbki [h]

Wariant I 2 Wariant II 4 Metoda konwencjonalna Wariant III 830