Kompozytowe warstwy powierzchniowe w układzie osnowa metaliczna – faza międzywęzłowa napawane laserowo na niskowęglowych stalach konstrukcyjnych

POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

mgr inż. Dariusz BARTKOWSKI

Kompozytowe warstwy powierzchniowe

w układzie osnowa metaliczna – faza międzywęzłowa napawane laserowo na niskowęglowych stalach

konstrukcyjnych

PRACA DOKTORSKA

Promotor:

dr hab. inż. Andrzej MŁYNARCZAK, prof. nadzw. PP Promotor pomocniczy:

dr inż. Adam PIASECKI

Poznań 2015

1 Pragnę serdecznie podziękować mojemu promotorowi dr hab. inż. Andrzejowi Młynarczakowi, prof. nadzw.

za życzliwą opiekę i pomoc w przygotowaniu niniejszej rozprawy doktorskiej oraz za cenne wskazówki dotyczące

pracy naukowo badawczej.

Dziękuję także wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej pracy.

W szczególności siostrze i mamie,

za wsparcie, pomoc i zachętę.

2 Paulinie, która podczas przygotowywania tej pracy,

zgodziła się zostać moją żoną.

3 SPIS TREŚCI

Streszczenie 5

Abstract 6

Wykaz użytych pojęć 7

1. Wprowadzenie 8

2. Stan zagadnienia 12

2.1. Procesy zużycia narzędzi rolniczych w glebie i metody ich badania 12

2.2. Budowa, działanie i rodzaje laserów 17

2.3. Technologia proszkowego napawania laserowego i jej zastosowanie 20 2.4. Warstwy powierzchniowe wytwarzane metodą napawania laserowego 23

2.4.1. Kierunki badań i tendencje rozwoju w zakresie warstw napawanych

laserowo 23

2.4.2. Warstwy kompozytowe wzmacniane cząstkami B

C 24 2.4.3. Warstwy kompozytowe wzmacniane cząstkami SiC 26 2.4.4. Kompozytowe warstwy powierzchniowe na osnowie stopów Ni, Fe i Co 27

3. Analiza stanu zagadnienia 40

4. Cel, teza i zakres pracy 42

5. Metodyka badań 44

5.1. Materiały do badań 44

5.2. Sposób wytwarzania kompozytowych warstw powierzchniowych 45 5.3. Metody badań wytworzonych warstw powierzchniowych 52 5.3.1. Badania makroskopowe i ocena struktury geometrycznej powierzchni 52

5.3.2. Badania mikrostruktury 53

5.3.3. Określenie ilości cząstek fazy wzmacniającej w warstwach 54

5.3.4. Pomiar mikrotwardości 54

5.3.5. Analiza składu fazowego (XRD) 55

5.3.6. Badania składu chemicznego (EDS) 55

5.3.7. Badania odporności korozyjnej 55

5.3.8. Badania odporności na zużycie przez tarcie 56 5.3.9. Badania eksploatacyjne warstw powierzchniowych i ocena ich zużycia 58

6. Wyniki badań 60

6.1. Kompozytowe warstwy powierzchniowe Stellite-6/SiC i Stellite-6/B

C 60 6.2. Kompozytowe warstwy powierzchniowe Stellite-6/WC 65

6.2.1. Struktura geometryczna powierzchni 65

4

6.2.2. Mikrostruktura 70

6.2.3. Analiza ilości węglików 82

6.2.4. Skład fazowy 85

6.2.5. Skład chemiczny 89

6.2.6. Mikrotwardość 94

6.2.7. Odporność korozyjna 99

6.2.8. Odporność na zużycie przez tarcie 103

6.2.9. Właściwości eksploatacyjne 108

7. Podsumowanie i wnioski 112

Literatura

5

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości potencjalnych i użytkowych kompozytowych warstw powierzchniowych w układzie osnowa metaliczna Stellite-6 – faza wzmacniająca węgliki boru, krzemu i wolframu na stalach konstrukcyjnych wytwarzanych metodą napawania laserowego. Opracowana warstwa powierzchniowa o najlepszych właściwościach została zastosowana w celu zwiększenia trwałości narzędzi rolniczych eksploatowanych w glebie.

W rozdziałach od 1 do 3 przedstawiono stan zagadnienia dotyczący problematyki zużycia narzędzi rolniczych w glebie, a także dostępnych sposobów zwiększenia ich trwałości. Opisana została budowa i działanie laserów oraz możliwości ich zastosowania do wytwarzania warstw powierzchniowych. Opisano również aktualny stan wiedzy dotyczący wytwarzania kompozytowych warstw powierzchniowych wzmacnianych cząstkami węglika boru, krzemu i wolframu.

W rozdziale 4 na podstawie analizy literatury oraz własnych doświadczeń określono cele pracy oraz sformułowano tezę. Celem badań wytworzonych warstw powierzchniowych było określenie ich właściwości mechanicznych oraz fizykochemicznych, a także potencjalnych możliwości aplikacyjnych ze szczególnym uwzględnieniem aplikacji rolniczych w postaci narzędzi do uprawy gleby.

W rozdziale 5 przedstawiono technologię wytwarzania kompozytowych warstw powierzchniowych oraz zaproponowano metodologię i metodykę badań.

Rozdział 6 podzielono na dwie części. W pierwszej omówiono wyniki badań wstępnych, uwzględniając wytwarzanie warstw powierzchniowych z udziałem fazy wzmacniającej w postaci cząstek węglika boru i krzemu. W drugiej części opisano kompozytowe warstwy powierzchniowe w Stellite-6/WC. Szczegółowo omówiono wyniki badań makroskopowych oraz mikroskopowych i na ich podstawie oszacowano ilość cząstek węglików w warstwach powierzchniowych. Analizowano wyniki badań fizykochemicznych (EDS, XRD, badania korozyjne) oraz wyniki pomiarów mikrotwardości i odporności na zużycie przez tarcie zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i eksploatacyjnych.

W rozdziale 7 w ramach podsumowania przedstawiono model powstawania wydzieleń na granicy osnowy i cząstek fazy wzmacniającej. Zaprezentowano także porównanie materiału spiekanego i wybranego wariantu wytworzonej warstwy kompozytowej.

Rozprawę zakończono prezentując wnioski wynikające z przeprowadzonych badań

poznawczych i utylitarnych.

6

Abstract

The work presents the research results of potential and operating properties of the composite surface layers in the system of metal matrix (Stellite-6) – reinforcing phase (boron, silicon and tungsten carbides) produced on structural steels by laser cladding method. The surface layer characterized by the best properties was applied to increase durability of agricultural tools used in the soil.

In Chapters from 1 to 3 were presented the literature state about the issues of agricultural tools used in the soil, as well as the available ways to increase their durability. Construction and operation of the lasers and their use possibilities in produce of surface layers were described. Current state of knowledge about composite surface layers of reinforced with particles of boron, silicon and tungsten carbide were discussed.

In Chapter 4, on the basis of literature analysis and own experience, the aim of work was defined and thesis was formulated. The aim of study of produced surface layers was to determine their mechanical and physico-chemical properties, as well as potential possibilities of applications with particular regard to agricultural applications in the form of soil cultivation tools.

In Chapter 5 the manufacturing technology of composite surface layers was presented and also the research methodology was proposed.

Chapter 6 was divided into two parts. In the first part, the preliminary study results, involving preparation of the surface layers reinforced by phase in the form of boron and silicon carbide particles were discussed. In the second part the Stellite-6/WC composite surface layers were described. The results of macroscopic and microscopic study were discussed in further detail and based on them, the amount of carbides in the surface layers was estimated. Results of physicochemical study (EDS, XRD, corrosion tests), microhardness measurements as well as wear resistance both in laboratory and in operational conditions were analized.

In Chapter 7,within the summary, the model of formation the precipitates on the border of matrix and reinforcing phase particles was presented. A comparison between the sintered material, and selected variant of composite surface layer was also presented.

At the end of the dissertation, conclusions from cognitive and utilitarian studies

were presented.

7 Wykaz użytych pojęć

warstwa kompozytowa – warstwa powierzchniowa zbudowana z dwóch lub więcej faz, zwykle w postaci osnowy i fazy wzmacniającej,

laserowe napawanie – konstytuowanie się warstwy powierzchniowej na podłożu metalowym z przetopionej lub nadtopionej mieszaniny proszkowej,

mieszanina proszkowa – mieszanina proszków metali lub stopów metali napawanych na podłoże metalowe przy użyciu lasera,

cząstki wzmacniające – fazy międzywęzłowe – obok proszku osnowy składnik mieszaniny proszkowej,

laser – urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej (ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), w pracy zastosowano 5-osiowe laserowe centrum obróbcze sterowane numerycznie wyposażone w głowicę laserową do napawania proszkowego,

podajnik – urządzenie, którego zadaniem jest dozowanie mieszaniny proszkowej do dysz znajdujących się w głowicy laserowej,

węgliki pierwotne – nieprzetopione cząstki węglików w warstwie powierzchniowej, węgliki wtórne – wydzielenia węglików powstające podczas konstytuowania się warstwy

powierzchniowej,

warstwa Stellite-6/30%B

C – kompozytowa warstwa powierzchniowa w układzie osnowa ze stopu Stellite-6 – faza wzmacniająca w postaci cząstek węglika boru wytworzona z mieszaniny proszkowej zawierającej 70% wagowych proszku Stellite-6 i 30% proszku B

C,

warstwa Stellite-6/30%SiC – kompozytowa warstwa powierzchniowa w układzie osnowa ze stopu Stellite-6 – faza wzmacniająca w postaci cząstek węglika krzemu wytworzona z mieszaniny proszkowej zawierającej 70% proszku Stellite-6 i 30% proszku SiC, warstwa Stellite-6/30%WC – kompozytowa warstwa powierzchniowa w układzie

osnowa ze stopu Stellite-6 – faza wzmacniająca w postaci cząstek węglika wolframu wytworzona z mieszaniny proszkowej zawierającej 70% wagowych proszku Stellite-6 i 30% proszku WC,

warstwa Stellite-6/60%WC – kompozytowa warstwa powierzchniowa w układzie

osnowa ze stopu Stellite-6 – faza wzmacniająca w postaci cząstek węglika boru

wytworzona z mieszaniny proszkowej zawierającej 40% wagowych proszku

Stellite-6 i 60% proszku WC.

8

1. Wprowadzenie

Aby scharakteryzować właściwości materiałów konstrukcyjnych czy narzędziowych należy wziąć pod uwagę zarówno mikrostrukturę rdzenia wyrobu jak i stan warstwy wierzchniej. W przypadku wyrobów, które podczas eksploatacji nie przenoszą dużych obciążeń bądź też nie są narażone na intensywne zużycie przez tarcie, stan warstwy wierzchniej oraz jej właściwości nie mają kluczowego znaczenia. Przeważnie jednak takie wyroby jak stalowe narzędzia i części maszyn eksploatowane są w warunkach tarcia przy dużych naciskach jednostkowych, często w agresywnym środowisku korozyjnym [39, 86, 97]. Tego typu warunki eksploatacji dotyczą zwłaszcza narzędzi mających bezpośredni kontakt z mediami ściernymi takimi jak skały, piasek, glina czy inne twarde składniki zawarte między innymi w glebie. W skali światowej problemy te dotyczą na przykład branży wydobycia ropy i gazu oraz stałych paliw kopalnych. Korporacje z branży energetycznej i maszynowej prześcigają się w opracowywaniu nowoczesnych technologii mających na celu zwiększenie trwałości narzędzi i części maszyn eksploatowanych w kopalniach czy platformach wiertniczych. W Polsce problemy zwiększania odporności na zużycie przez tarcie dotyczą miedzy innymi branży rolniczej, która jest stosunkowo dobrze rozwinięta. Wyniki Powszechnego Spisu Rolnego, przeprowadzonego przez Główny Urząd Statystyczny w 2010 roku, wykazały, że ogólna liczba zarejestrowanych w Polsce gospodarstw rolnych wynosiła 2 miliony 278 tysięcy [87]. Oczywiście są to gospodarstwa o zróżnicowanym areale uprawowym, jednakże ich ilość wiąże się z dużym zapotrzebowanie na części zamienne do maszyn rolniczych, a w szczególności narzędzi do obróbki gleby, które ulegają szybkiemu zużyciu, tracąc swoje właściwości eksploatacyjne.

W przypadku gospodarstw o dużym areale uprawowym, narzędzia takie należy bardzo często wymieniać, a każda z takiej czynności generuje dodatkowe koszty.

Są one związane nie tylko z zakupem nowych narzędzi lub ich regeneracją, ale przede wszystkim z czasem potrzebnym na ich wyminę. Demontaż i montaż narzędzi generuje niepożądane przestoje w pracy. Aktualnie istnieje tendencja zwiększania trwałości narzędzi do uprawy gleby, nawet kosztem dużo wyższej ceny. Rolnikom bardziej opłaca się kupić narzędzia droższe o wyższej jakości, niż kilkukrotnie podczas pracy zjeżdżać z pola celem przezbrojenia maszyny.

Gleba jest specyficznym medium ściernym, którego nie można w jednoznaczny sposób

zdefiniować. Wynika to głównie z tego, że pod wpływem warunków atmosferycznych

zmienia ona swoje właściwości, a tym samym zmieniają się warunki tarcia występujące

9 w układzie gleba-narzędzie. Zużycie, na jakie podczas eksploatacji w glebie narażone są narzędzia rolnicze, przekłada się bezpośrednio na trwałość i niezawodność maszyn rolniczych. Środowisko gleby stanowi jednak podstawę funkcjonowania produkcji rolnej.

W związku z tym tematyka odporności na działanie tego środowiska będzie zawsze aktualna.

Kontrola i prognozowanie zużycia narzędzi w glebie są bardzo trudne i na dzień dzisiejszy wiedza inżynierska ogranicza się do badań doświadczalnych oraz do opracowywania tak zwanych sztucznych sieci neuronowych. Aby można było w pewien sposób przybliżyć proces destrukcji materiału będącego w ruchu względnym z ziarnami gleby, należy połączyć wiele elementarnych zjawisk zużycia. W Polsce, tematykę tą podejmowali między innymi J. Napiórkowski [72-74], M. Łabęcki wraz M. Gościański [66], J. Stabryła [93,94] oraz P. Kostencki [51-53]. Spośród zagranicznych Autorów można przytoczyć prace E. A. Gharahbagh [37], M. Müller [71], S. Dizdar [26] oraz A.G. Foley [33,34].

Badania zużycia tribologicznego w glebie można dokonywać w dwojaki sposób.

Pierwszy z nich opiera się o badania polowe, które wykonywane są w naturalnym środowisku eksploatacyjnym narzędzia. Podczas badań polowych obciążenie narzędzi jest wypadkową wielu czynników, między innymi uzależnione jest od aktualnej wilgotności czy kamienistości gleby. Drugi rodzaj to badania laboratoryjne, których wyniki są często odmienne od badań polowych. Związane jest to z określonymi, najczęściej stałymi właściwościami medium ściernego.

W związku z problemami, jakie napotyka przemysł rolniczy, zasadnym jest

poszukiwanie sposobów zmniejszenia zużycia wykorzystywanych w rolnictwie narzędzi

i części maszyn. Środowiska naukowe i inżynierskie cały czas starają się opracowywać

nowe typoszeregi narzędzi. Zmieniają tym samym zarówno ich rozwiązania konstrukcyjne

jak i stosowane materiały. Poprawa właściwości eksploatacyjnych wiąże się jednak

głównie z polepszeniem właściwości warstwy wierzchniej. Zwiększenie twardości,

odporności na zużycie przez tarcie oraz modyfikowanie powierzchni pierwiastkami

zwiększającymi odporność korozyjną pozwala na wydłużenie cyklu życia narzędzi

rolniczych. Dodatkowo należy nadmienić, że metody obróbki powierzchniowej są jednymi

z najbardziej opłacalnych, a jednocześnie najbardziej przydatnych metod stosowanych

w szeroko pojętej inżynierii materiałowej, bowiem wytworzenie warstwy o nowych

unikalnych właściwościach, może całkowicie zmienić parametry użytkowe każdego

materiału podłoża.

10 W dostępnych publikacjach opisuje się zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie narzędzi eksploatowanych w ekstremalnych warunkach tarcia głównie poprzez zastosowanie materiałów ceramicznych [33, 34], dyfuzyjnych warstw węglikowych [16, 54, 67-70] i borkowych [9, 10, 48], czy wytwarzaniu warstw metodą natryskiwania cieplnego [22, 23, 47]. W pracy [12] poruszono tematykę borowania dyfuzyjnego powierzchni narzędzi. Część z tych metod nie daje zamierzonego rezultatu, a dodatkowo na przykład metody dyfuzyjne są energochłonne i czasochłonne. Warstwy dyfuzyjne wytwarza się najczęściej na całym wyrobie, co nie zawsze jest ekonomicznie uzasadnione.

Największe nadzieje na wytwarzanie warstw powierzchniowych odpornych na zużycie przez tarcie, badacze pokładają w metodach wysokoenergetycznych. Do metod tych należą między innymi napawanie plazmowe czy napawanie laserowe.

W pracy omówiono technologię proszkowego napawania laserowego, która w literaturze angielskiej określane jest jako laser cladding. Aktualnie, w krajach wysokorozwiniętych metodę tą stosuje się w celu zwiększania trwałości narzędzi górniczych oraz wiertniczych w przemyśle wydobywczym, a także do wytwarzania powłok odpornych na korozję. Technologia ta jest rozwijana między innymi przez General Electric Oil&Gas i Honeywell International, czyli potentatów na rynku ropy naftowej i gazu [4], a także przez wielu producentów systemów laserowych [58]. Może być również z powodzeniem stosowana do zwiększania trwałości narzędzi rolniczych. Metodą proszkowego napawania laserowego można wytwarzać warstwy powierzchniowe zbudowane z niemalże każdego materiału metalicznego. Materiał dostarczany z zewnątrz staje się wówczas głównym składnikiem wytworzonej warstwy powierzchniowej, a z uwagi na wysoką temperaturę procesu, przetapia się z podłożem.

Wśród rodzimych badaczy, tematyką procesu laser cladding zajmowali się między innymi J. Kusiński wraz z L.A. Dobrzańskim [55], A. Klimpel [125] oraz D. Janicki [44].

Natomiast spośród badaczy zagranicznych należy wymienić przede wszystkim S. Zhang [114-116], M. Zhong [118-121], G. Xu [101-106], czy A. Farnia [30-32].

W ostatnim czasie istnieje bardzo duże zainteresowanie zastosowaniem metody laser

cladding do wytwarzania kompozytowych warstw powierzchniowych na stalach i stopach

metali nieżelaznych. Warstwy te zbudowane są z metalicznej osnowy wzmacnianej

twardymi cząstkami faz międzywęzłowych. Jako osnowę badacze najczęściej stosowali

żelazo [122] nikiel [8, 123,124] oraz stopy zawierające te pierwiastki, najczęściej stop

NiCrBSi przeznaczony do natryskiwania cieplnego [29,40,59]. Istnieje też bardzo dużo

publikacji w których jako osnowę stosuje się kobalt i jego stopy [3, 11, 14, 25, 30, 63, 64,

11 77, 85, 102, 103, 108, 125] np. stellity [1, 2, 13, 15, 18, 21, 24, 31, 32, 35, 38, 42, 44, 45, 50, 56, 57, 65, 81, 83, 91, 92, 101, 104-106, 118-120, 121], które jednak rzadziej opisywane są jako materiały osnowy w warstwach kompozytowych, a częściej jako warstwy jednorodne.

Cząstkami wzmacniającymi w kompozytowych warstwach powierzchniowych mogą być różnego rodzaju fazy międzywęzłowe, najczęściej węgliki ale także azotki i borki [62].

Spośród najczęściej opisywanych znajduje się węglik wolframu WC [3, 13, 15, 21, 40, 44, 76, 78, 79, 82, 83, 89, 96, 99, 100, 102, 105, 106, 109, 110, 114, 118-120, 122-124], węglik krzemu SiC [1, 2, 59, 62, 78, 80, 107, 110, 112, 113, 115, 117], węglik boru B

C [17, 29, 50, 75, 78, 114] oraz węgliki tytanu TiC [59, 76]. Wszystkie te prace opierały się o zastosowanie różnych kombinacji fazy wzmacniającej i osnowy metalicznej. Obecnie najmniej jest publikacji, w których opisano warstwy powierzchniowe o osnowie ze stopu Stellite-6, gdzie fazą wzmacniającą były węgliki SiC, B

C i WC.

W niniejszej pracy przeprowadzono badania kompozytowych warstw

powierzchniowych Stellite-6 wzmacnianych twardymi cząstkami WC, B

C i SiC. Warstwy

te wytwarzano na niskowęglowych stalach konstrukcyjnych. Na podstawie analizy

literatury oraz badań własnych stwierdzono, że istnieje możliwość wytwarzania

kompozytowych warstw powierzchniowych w układzie faza międzywęzłowa – osnowa

metaliczna, które mikrostrukturą i właściwościami są zbliżone do węglików spiekanych

[7, 27, 28]. Podjęta w pracy doktorskiej tematyka ma bardzo duże znaczenie poznawcze

i utylitarne.

12

2. Stan zagadnienia

2.1. Procesy zużycia narzędzi rolniczych w glebie i metody ich badania

Niezawodność maszyn rolniczych jest w dużej mierze zależna od trwałości zamontowanych w nich narzędzi. Wyeksploatowanie ich prowadzi zwykle do dłuższych przerw w uprawie gleby, co przekłada się na straty ekonomiczne. Warunki eksploatacji narzędzi rolniczych można określić, jako szczególne trudne czy nawet ekstremalne.

Intensywność zużycia ściernego powodowanego oddziaływaniem gleby zależy głównie od różnicy twardości materiału trącego i materiału narzędzia [93, 94]. W skład frakcji ziarnistej gleby wchodzi najczęściej piasek kwarcowy o twardości 7 w skali Mohsa, ale mogą w niej występować także dużo twardsze minerały, takie jak ziarna korundu od których twardszy jest tylko diament (rys. 1).

Rys. 1. Porównanie twardości stali i materiałów ceramicznych [94]

Elementy robocze maszyn rolniczych, takie jak: redlice, lemiesze, zęby bron czy

redliczki kultywatorów zużywają się głównie na skutek ściernego oddziaływania twardych

cząstek gleby na ich warstwę wierzchnią oraz na skutek obciążeń udarowych. W związku

z tym, materiałom stosowanym na narzędzia rolnicze eksploatowane w glebie stawia się

bardzo wysokie wymagania dotyczące trwałości. Wymaganie te spełnia bardzo nieliczna

grupa materiałów. Są to przede wszystkim węgliki spiekane oraz stale trudnościeralne

np. typu HARDOX produkowane przez koncern hutniczy SSAB czy stale borowe B13S,

13 B24, B27 i typu Raex

firmy Rukki. Stale te cechuje struktura drobnoziarnistego martenzytu, uzyskiwana dzięki specjalnie dobranemu składowi chemicznego zwiększającemu hartowność. W szwedzkich stalach borowych zwiększoną twardość uzyskuje się poprzez zastosowanie boru jako mikrododatku stopowego w ilości od 0,002 do 0,004%. Już tak mała ilość tego pierwiastka powoduje podczas hartowania powstawanie drobnoziarnistej struktury bainitycznej. Materiały te są przede wszystkim stosowane na zużywalne części maszyn rolniczych, górniczych, podajniki, betoniarki i łańcuchy.

Właściwości eksploatacyjne stali z dodatkiem boru opisał P. Kostencki [51,52], który badał lemiesze wykonane ze stali Hardox 500 oraz stali B27. Do oceny stopnia zużycia narzędzi zastosował między innymi: metodę obrysu, pomiar grubości i ubytek masowy.

Stwierdził, że zużycie tych stali w glebie jest porównywalne, z zastrzeżeniem, że biorąc pod uwagę ubytek grubości badanych narzędzi, to układ odporności ściernej badanych stali był inny niż przy zmianie obrysu. Stal B27 poddawana hartowaniu i odpuszczaniu miała najmniejsze ubytki grubości, w przeciwieństwie do stali Hardox 500, gdzie te ubytki były większe. Autor podkreśla jednak, że ubytek grubości nie ma bezpośredniego znaczenia dla stanu zużycia granicznego, ale w skrajnych przypadkach może wystąpić wygięcie lub nawet pęknięcie narzędzia.

Na narzędzia rolnicze stosuje się także niskostopowe żeliwo sferoidalne, hartowane z przemianą izotermiczną, znane pod angielską nazwą Austempered Ductile Iron i oznaczane skrótem ADI. M. Łabęcki i M. Gościański po badaniach odporności na zużycie przez tarcie zarówno w misie ściernej jak i na aparacie Amsler-A135, zaproponowali zastosowanie żeliwa ADI do produkcji lemieszy [66].

Jedną z metod zwiększania trwałości narzędzi rolniczych jest przyklejanie do ich powierzchni natarcia i powierzchni przyłożenia płytek ceramicznych z węglików spiekanych. M. Müller wraz z zespołem wykonali badania oceny trwałości połączeń klejonych ceramicznych płytek z tlenku aluminium Al

O

do stali [71]. Autorzy stwierdzili, że klej nie tylko silnie wiąże płytki ceramiczne z materiałem podłoża, ale dodatkowo zwiększa sztywność układu i pochłania energię generowaną podczas uderzenia o powierzchnię ceramiczną.

O zastosowaniu w rolnictwie tlenku Al

O

informował już w 1984 roku A.G. Foley

wraz ze swoim zespołem badawczym [34]. Badacze stwierdzili wówczas, że znaczne

zmniejszenie szybkości zużycia narzędzi rolniczych w glebie występuje tylko wtedy, gdy

twardość materiału narzędzia przekracza około 80% wartoś aluminium w wielu przypadkach spełnia

Zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie można także uzyskać metodami i technikami inżynierii powierzchni, głównie poprzez wytwarzanie napoin z materiałów trudnościeralnych. Istotne jest to, aby napawana warstwa znajdowała się w odpowiednim miejscu na elemencie roboczym. Lokalizacja ta uwarunkowana jest głównie składem granulometrycznym obrabianej gleby oraz jej wilgotnością. Dla przykładu, na rysunku 2 przedstawiono r

działania narzędzia.

Rys. 2. Deformacja gleby suchej

Opracowując proces technologiczny napawania, należy przeprowadzić szereg badań doświadczalnych w celu obserwacji miejsc o największej intensywności zużycia.

Wynikiem tych badań może być obrys narzędzia, na którym zaznacza się różnice w wymiarach przed i p

stosować także metody komputerowej obróbki obrazu, rejestrując przy użyciu skanera optycznego [

wpływ wilgotności na zużycie le

uprawie gleb o małej wilgotności, czyli tych cechujących się znaczną zwięzłością, intensywnemu zużyciu ulega powierzchnia przyłożenia lemiesza. Występujący tam rodzaj tarcia prowadzi wówczas do szybkiego

sam ubytek grubości narzędzia jest mały (rys.

przyłożenia, która powoduje pokruszenie gleby na grudy o różnych wymiarach. Podczas twardość materiału narzędzia przekracza około 80% wartości twardości ścierniwa. Tlenek

w wielu przypadkach spełnia ten warunek.

Zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie można także uzyskać metodami i technikami inżynierii powierzchni, głównie poprzez wytwarzanie napoin z materiałów lnych. Istotne jest to, aby napawana warstwa znajdowała się w odpowiednim miejscu na elemencie roboczym. Lokalizacja ta uwarunkowana jest głównie składem granulometrycznym obrabianej gleby oraz jej wilgotnością. Dla przykładu, na przedstawiono różnicę w deformacji gleby suchej i wilgotnej pod wpływem

Deformacja gleby suchej (a) i wilgotnej (b) podczas przemieszczania się lemiesza w glebie linia gruba - przekrój lemiesza zużytego [53]

Opracowując proces technologiczny napawania, należy przeprowadzić szereg badań doświadczalnych w celu obserwacji miejsc o największej intensywności zużycia.

Wynikiem tych badań może być obrys narzędzia, na którym zaznacza się różnice w wymiarach przed i po przeprowadzonych pracach polowych. Zamiast obrysu, można stosować także metody komputerowej obróbki obrazu, rejestrujące

przy użyciu skanera optycznego [12]. Z metody obrysu korzystał P. Kostencki opisując wpływ wilgotności na zużycie lemieszy płużnych [53]. Zwraca on uwagę na to, że przy uprawie gleb o małej wilgotności, czyli tych cechujących się znaczną zwięzłością, intensywnemu zużyciu ulega powierzchnia przyłożenia lemiesza. Występujący tam rodzaj tarcia prowadzi wówczas do szybkiego zmniejszania się długości części dziobowej, ale sam ubytek grubości narzędzia jest mały (rys. 3-a). Zużywa się g

przyłożenia, która powoduje pokruszenie gleby na grudy o różnych wymiarach. Podczas 14 ci twardości ścierniwa. Tlenek

Zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie można także uzyskać metodami i technikami inżynierii powierzchni, głównie poprzez wytwarzanie napoin z materiałów

lnych. Istotne jest to, aby napawana warstwa znajdowała się w odpowiednim miejscu na elemencie roboczym. Lokalizacja ta uwarunkowana jest głównie składem granulometrycznym obrabianej gleby oraz jej wilgotnością. Dla przykładu, na

óżnicę w deformacji gleby suchej i wilgotnej pod wpływem

(a) i wilgotnej (b) podczas przemieszczania się lemiesza w glebie,

Opracowując proces technologiczny napawania, należy przeprowadzić szereg badań doświadczalnych w celu obserwacji miejsc o największej intensywności zużycia.

Wynikiem tych badań może być obrys narzędzia, na którym zaznacza się różnice o przeprowadzonych pracach polowych. Zamiast obrysu, można

e zmiany wymiarowe

]. Z metody obrysu korzystał P. Kostencki opisując

]. Zwraca on uwagę na to, że przy

uprawie gleb o małej wilgotności, czyli tych cechujących się znaczną zwięzłością,

intensywnemu zużyciu ulega powierzchnia przyłożenia lemiesza. Występujący tam rodzaj

zmniejszania się długości części dziobowej, ale

głównie powierzchnia

przyłożenia, która powoduje pokruszenie gleby na grudy o różnych wymiarach. Podczas

15 eksploatacji lemieszy w glebie wilgotnej, powierzchnia przyłożenia i powierzchnia natarcia zużywają się niemalże równomiernie, a grubość lemieszy znacznie się zmniejsza, co jest widoczne na rysunki 3-b.

Rys. 3. Zmiana grubości lemieszy pracujących w glebach suchych (a) i wilgotnych (b): linia cienka – przekrój lemiesza nowego, linia gruba - przekrój lemiesza zużytego [53]

Próby opisane przez Autorów są ważne z uwagi na zastosowanie warunków eksploatacyjnych (polowych). Są najbardziej wiarygodnym źródłem informacji dotyczących trwałości narzędzi rolniczych. Badacze jednak nieustannie podejmują próby opracowania modeli matematycznych w tym zakresie. Próby takiego opracowania podjęli się między innymi J. Napiórkowski i P. Mikołajczak, którzy przedstawili możliwości prognozowania trwałości elementów roboczych w glebie przy użyciu sztucznych sieci neuronowych (SSN) [74]. Metodami SSN można modelować układy złożone i nieliniowe, a ich główną zaletą jest zdolność uczenia się. Podstawą do opracowanego przez nich modelu były wyniki badań eksploatacyjnych zużycia lemieszy płużnych w dziesięciu gatunkach gleb. W tym celu Autorzy wygenerowali 12 oddzielnych modeli neuronowych dla przyjętych miar zużycia, gatunków gleb i konstrukcji narzędzi.

Istnieje wiele laboratoryjnych metod badań intensywności zużycia narzędzi lub

materiałów przeznaczonych na narzędzia rolnicze. Przeprowadza się je często w wirującej

misie ściernej wypełnionej piaskiem. J. Napiórkowski [72, 73] badał w ten sposób

napoiny zawierające twarde fazy Mo

C, VC, TiC, (Fe, Cr)

C, W

C w osnowie ferrytu

stopowego. Autor stwierdził, że w miarę zmniejszania twardości napawanej warstwy,

następuje wzrost intensywności bruzdowania i mikroskrawania. Zaobserwował także

wyrwania wynikające ze zmęczenia warstwy wierzchniej. Zużycie napoin polegało kolejno

na intensywnym zużyciu ferrytu stopowego, a następnie na wyżłabianiu z niego twardych

cząstek w wyniku osłabienia wiązań z osnową.

16 S. Dizdar wraz z B. Maroli’m [26] badali natryskiwane na narzędziach rolniczych warstwy powierzchniowe na bazie niklu wzmacniane dodatkiem 50% i 60% wagowych cząstek węglika wolframu. Do badania odporności na zużycie przez tarcie zastosowali metodę Dry-Sand-Rubber/Wheel opisaną w normie ASTM G65 (rys. 4). Metoda ta polega na doprowadzenia do kontaktu ciernego gumowanej tarczy obrotowej i próbki. Para cierna dociskana była przy użyciu dźwigni z określoną w normie siłą docisku. Pomiędzy próbkę, a gumowane koło wprowadzany jest piasek. Istnieje wiele odmian i modyfikacji tej metody. Autorzy stwierdzili 25%-owy wzrost odporności na zużycie przez tarcie dla warstw z dodatkiem węglików wolframu w porównaniu z warstwami bez cząstek wzmacniających.

Rys. 4. Schemat stanowiska do badania odporności na zużycie przez tarcie metodą Dry-Sand-Rubber/Wheel [www.isaf.tu-clausthal.de]

E.A. Gharahbagh wraz z zespołem [37] przeprowadzili badania eksperymentalne

zużycia narzędzi z zastosowaniem systemu zaprojektowanego specjalnie do robót

ziemnych, który składał się ze śmigieł wyposażonych w obudowy ze stali o różnych

twardościach. Śmigła obracały się z prędkością 60 obr/min w komorze z ziarnistą glebą

pod ciśnieniem 10 bar. Opracowana metoda pozwalała na pomiar utraty masy próbek

i odniesienie tych wartości do takich parametrów jak skład mineralny gleby, sferyczność

17 ziaren czy jej wilgotność. Badania wykazały, że parametry te miały znaczący wpływ na zużycie narzędzi. Stwierdzono, że ziarna piasku o nieregularnym kształcie powodują większe zużycie narzędzi niż ziarna sferyczne. Autorzy dowiedli także, że zużycie narzędzi wzrasta wraz ze wzrostem zawartości wody w glebie, aż do osiągnięcia około 7-10% wilgotności. Dalsze zwiększanie wilgotności powoduje zmniejszenie zużycia materiału narzędzia.

Większość prowadzonych badań odporności na zużycie przez tarcie opiera się o aparaturę laboratoryjną, w której medium ściernym są materiały takie jak korund, piasek kwarcowy czy węglik krzemu. Materiały te powodują bardzo szybkie zużycie, ale w warunkach polowych nie występują w czystej formie. Stąd warunki badań laboratoryjnych najczęściej różnią się od rzeczywistych warunków eksploatacji narzędzi.

2.2. Budowa, działanie i rodzaje laserów

Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat lasery stały się powszechne w wielu dziedzinach nauki i techniki. Zapoczątkowały one powstanie i rozwój wielu nowoczesnych technologii wykorzystywanych nie tylko w mechanice czy inżynierii materiałowej, ale także w medycynie czy budownictwie. Lasery wywarły także ogromny wpływ na rozwój inżynierii powierzchni.

Nazwa LASER jest akronimem od angielskiego wyrażenia Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, co w tłumaczeniu oznacza wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Urządzenie to umożliwia generowanie wiązki promieniowania elektromagnetycznego mieszczącej się w zakresie fal od ultrafioletu do podczerwieni. Promieniowanie laserowe charakteryzuje się następującymi właściwościami: bardzo małą rozbieżnością wiązki (zwykle nieprzekraczającą 10 miliradianów); dużą energią; monochromatycznością; spójnością i koherentnością czasową i przestrzenną; długością fali wynosząca od 10 nm do 1mm oraz możliwością wytworzenia wiązki zarówno ciągłej jak i impulsowej.

Generowanie światła przez laser opiera się o wzmocnienie promieniowania przez emisję wymuszoną. Następuje to w ośrodku aktywnym po odwróceniu obsadzeń poziomów energetycznych, czyli tak zwanej inwersji obsadzeń. Innymi słowy, aby wyemitować wiązkę lasera, proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad procesem pochłaniania.

Dzieje się tak wtedy, gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż

w stanie podstawowym rysunku 5.

Lasery można klasyfikować według

rodzaj ośrodka czynnego, zastosowanie oraz moc wiązki laserowej. Najistotniejszym kryterium, które jednocześnie determinuje pozostałe, jest rodzaj ośrodka czynnego, czyli jego stan skupienia i materiał. Każdy z ni

ma w efekcie wpływ na długość emitowanej fali światła i jej moc. Przekłada się to na konkretne zastosowania. Wyróżniamy między innymi: lasery gazowe (np. argonowy, azotowy, CO

, helowo-

lasery na cieczy czy lasery półprzewodnikowe.

Rys. 5. Schema

Każdy laser składa się z czterech zasadniczych podzespołów [

a)

ośrodek czynny, czyli medium, w którym powstaje akcja laserowa;

b)

układ optyczny (rezonator optyczny), który powoduje wzmocnienie oraz kontroluje długość fali emitowanej wiązki laserowej. Jego rolą jest sprzężenie zwrotne wybranych [46, 55]. Schemat powstawania akcji laserowej przedstawiono na

Lasery można klasyfikować według różnych kryteriów. Do podstawowych należą rodzaj ośrodka czynnego, zastosowanie oraz moc wiązki laserowej. Najistotniejszym kryterium, które jednocześnie determinuje pozostałe, jest rodzaj ośrodka czynnego, czyli jego stan skupienia i materiał. Każdy z nich posiada odmienną budowę energetyczną, co ma w efekcie wpływ na długość emitowanej fali światła i jej moc. Przekłada się to na konkretne zastosowania. Wyróżniamy między innymi: lasery gazowe (np. argonowy, -neonowy), lasery na ciele stałym (np. rubinowy, neodymowy), lasery na cieczy czy lasery półprzewodnikowe.

. Schemat powstawania akcji laserowej [www.portalnaukowy.edu.pl

Każdy laser składa się z czterech zasadniczych podzespołów [55]:

ośrodek czynny, czyli medium, w którym powstaje akcja laserowa;

układ optyczny (rezonator optyczny), który powoduje wzmocnienie oraz kontroluje długość fali emitowanej wiązki laserowej. Jego rolą jest sprzężenie zwrotne wybranych 18 ]. Schemat powstawania akcji laserowej przedstawiono na

różnych kryteriów. Do podstawowych należą rodzaj ośrodka czynnego, zastosowanie oraz moc wiązki laserowej. Najistotniejszym kryterium, które jednocześnie determinuje pozostałe, jest rodzaj ośrodka czynnego, czyli ch posiada odmienną budowę energetyczną, co ma w efekcie wpływ na długość emitowanej fali światła i jej moc. Przekłada się to na konkretne zastosowania. Wyróżniamy między innymi: lasery gazowe (np. argonowy, tałym (np. rubinowy, neodymowy),

[www.portalnaukowy.edu.pl]

ośrodek czynny, czyli medium, w którym powstaje akcja laserowa;

układ optyczny (rezonator optyczny), który powoduje wzmocnienie oraz kontroluje

długość fali emitowanej wiązki laserowej. Jego rolą jest sprzężenie zwrotne wybranych

19 długości fali światła, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej, stałej częstotliwości. Układ optyczny składa się najczęściej z dwóch zwierciadeł, w tym przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne;

c)

układ pompujący, którego zadaniem jest dostarczenie do wzbudzenia jak największej liczby elektronów lub fotonów znajdujących się w ośrodku czynnym. Układ ten musi być na tyle wydajny, aby doszło do zjawiska inwersji obsadzeń. Pompowanie może odbywać się na wiele sposobów, zależnie od rodzaju lasera;

d)

układ chłodzenia, którego zadaniem jest odbiór ciepła powstającego podczas akcji laserowej.

Dzięki ciągle rozwijające się technice laserowej, a także towarzyszącej jej automatyzacji i robotyzacji, istnieje możliwość zwiększania wydajności takich procesów jak cięcie, napawanie, znakowanie czy spawanie. Przykładowo, nowoczesne systemy laserowe przeznaczone do cięcia, w połączeniu z odpowiednio opracowanymi programami CNC, umożliwiają bardzo szybkie i przede wszystkim powtarzalne wycięcie skomplikowanych kształtów. Spośród laserów najczęściej stosowanych w przemyśle, należy wymienić między innymi molekularne lasery CO

, o gaussowskim rozkładzie gęstości mocy wiązki. W laserach tych fala elektromagnetyczna emitowana jest w wyniku wzbudzenia cząsteczek dwutlenku węgla prądem zmiennym o wysokiej częstotliwości.

Rezonatory laserów CO

emitują falę o długości 10,6 μm. Równie popularne są lasery na ciele stałym Nd:YAG, gdzie źródłem promieniowania są sztucznie hodowane kryształy zawierające itr, aluminium i granat (stąd oznaczenie YAG). W tym przypadku wiązkę laserową emitują atomy neodymu umieszczone w krysztale. Rezonatory są zbudowane z prętów krystalicznych, a wzbudzenie odbywa się poprzez energię, której źródłem jest lampa błyskowa lub układ diodowy. Rezonatory laserów Nd:YAG, emitują fale świetlną o długości 1,064 μm. Kolejnym popularnym rodzajem laserów są lasery diodowe, w których kombinacja wielu tysięcy diod jest źródłem promieniowania laserowego o długości fali 808 – 980 nm.

W niniejszej pracy opisano proces technologiczny napawania laserowego, odbywający

się przy użyciu lasera dyskowego Yb:YAG. Ten rodzaj lasera łączy w sobie zalety lasera

na ciele stałym i lasera diodowego. Wiązka lasera jest emitowana poprzez pompowanie

ciała stałego w kształcie dysku o grubości około 200 nm i średnicy 1 mm laserem

diodowym o długości fali 940 nm. Lasery dyskowe wyróżniają się wyjątkowo dobrą

jakością wiązki. Umożliwiają uzyskanie dużych odległości roboczych oraz zastosowanie

małych optycznych układów ogniskujących. Geometria stosowanych dysków zapewnia

20 chłodzenie równoległe do kierunku rozprzestrzeniania się wiązki, co zmienia rozkład temperatury, a tym samym wyrównuje gęstość mocy na przekroju wiązki lasera. Spójność wiązki poprawia się czterokrotnie w porównaniu do innych rodzajów laserów na ciele stałym [5]. Porównanie rozkładu temperatury mocy wiązki lasera dyskowego Yb:YAG i lasera prętowego na ciele stałym Nd:YAG przedstawiono na rysunku 6.

Rys. 6. Porównanie rozkładu temperatury wiązki lasera: a) dyskowego Yb:YAG, b) lasera prętowego na ciele stałym Nd:YAG [5]

2.3. Technologia proszkowego napawania laserowego i jej zastosowanie

Jedną z coraz częściej stosowanych w przemyśle technologii modyfikowania warstwy

wierzchniej materiałów jest proszkowe napawanie laserowe (ang. laser cladding with

powder). W przeciwieństwie do natryskiwania cieplnego, metoda ta zapewnia silne,

metalurgiczne powiązanie wytworzonej warstwy z podłożem, przy minimalnym

przetopieniu surowca wyjściowego. Metoda laser cladding pozwala na wyjątkowo

dokładną kontrolę grubości warstwy a jej niewątpliwą zaletą jest generowanie małej strefy

wpływu ciepła. Metoda laser cladding jest aktualnie coraz częściej stosowana, jako

21 alternatywa dla metody PTA (Plasma Transferred Arc) i znacznie przewyższa możliwości konwencjonalnych metod napawania takich jak TIG (Tungsten Inert Gas).

W metodzie laser cladding w celu wytworzenia warstw powierzchniowych wykorzystuje się wiązkę lasera i szereg dodatkowych urządzeń peryferyjnych takich jak podajnik proszku, układ chłodzenia czy urządzenia sterujące głowicą lasera. Nowoczesne systemy sterowania opierają się o programowanie numeryczne, dzięki czemu proces może być w pełni kontrolowany przez operatora. Strumień proszku podawany jest do zogniskowanej wiązki laserowej. Każde włączenie i wyłączenie emisji wiązki lasera przerywa proces wytwarzania warstwy. Może wiec być ona osadzana selektywnie.

Materiały proszkowe są dostarczane z podajnika poprzez system przewodów i wdmuchiwane do wiązki laserowej przy pomocy gazu obojętnego lub grawitacyjnie.

Materiał proszkowy może być podawany na kilka sposobów, które zilustrowane są na rysunku 7. Ogólnie można podzielić dysze ze względu na ilość i rozmieszczenie strumieni, którymi podawany jest proszek. Podaż może odbywać się między innymi przy użyciu dyszy bocznej lub dwóch dysz bocznych umieszczonych promieniowo symetrycznie.

Jednak najbardziej zaawansowany sposób podaży proszku polega na wdmuchiwaniu go poprzez system kilku dysz rozmieszczonych wokół wiązki laserowej [4, 6, 41, 43, 49, 55, 60, 88, 95, 98, 111].

Rys. 7. Rodzaje podaży proszku w metodzie laser cladding [88]

Wytwarzane powłoki mogą być nakładane w postaci sąsiadujących ścieżek lub wielowarstwowo. Odpowiedni dobór parametrów wiązki laserowej umożliwia także wytwarzanie modeli przestrzennych.

Do głównych parametrów procesu proszkowego napawania laserowego należą:

 moc wiązki lasera,

22

 średnica wiązki lasera,

 szybkość podawania proszku,

 szybkość skanowania.

Parametry te mają decydujący wpływ na szybkość topienia się podawanego materiału. Jest to istotne podczas tworzenia kompozytowych warstw powierzchniowych opisanych w niniejszej pracy z uwagi na różnice w temperaturze topnienia poszczególnych składników mieszaniny proszkowej. Dodatkowo parametry te mają wpływ na ilość pęknięć i porowatości oraz chropowatość powierzchni. Zależności między parametrami procesu napawania laserowego są bardzo złożone i trudne do zdefiniowania.

Do kolejnych, ważnych zalet metody proszkowego napawania laserowego należą:

 możliwość uzyskania jednorodnej mikrostruktury, co jest wynikiem szybkiego krzepnięcia,

 eliminacja obróbki cieplnej po wytworzeniu warstwy powierzchniowej, co jest związane z minimalną ingerencją ciepła w rdzeń materiału podłoża i tym samym małą strefę wpływu ciepła,

 doskonała stabilność wymiarowa wytworzonych warstw i ich powtarzalność,

 warstwę powierzchniową wytwarza się w pożądanym miejscu dzięki możliwości sterowania wiązką lasera w kilku osiach,

 bardzo szerokie spektrum stosowanych materiałów proszkowych,

 proces bardzo łatwo zautomatyzować i zintegrować z systemami CAD/CAM i środowiskiem CNC.

Technologia laser cladding cały czas jest rozwijana i znajduje szereg zastosowań, które można podzielić na dwa główne kierunki. Pierwszy związany z modyfikacją powierzchni materiałów celem zwiększania ich odporności na korozje, a przede wszystkim odporności na zużycie przez tarcie [6, 43, 90]. Przykład takiego zastosowania przedstawiono na rysunku 8. Drugi aspekt związany jest z przeprowadzaniem napraw i regeneracji narzędzi i części maszyn. Naprawione w ten sposób części mogą polepszyć swoje właściwości eksploatacyjne, a dodatkowo naprawy tego typy mają uzasadnienie ekonomiczne. Często wytworzenie nowego elementu jest znacznie kosztowniejsze od jego regeneracji.

Na rysunku 9 przedstawiono proces regeneracji wału sprężarki metodą laser cladding.

23

Rys. 9. Kolejne etapy regeneracji wału sprężarki odśrodkowej: a) stan serwisowany, b) stan w trakcie napawania laserowego, c) wykonana napoina, d) gotowy wyrób

po obróbce mechanicznej [6]

2.4. Warstwy powierzchniowe wytwarzane metodą napawania laserowego 2.4.1. Kierunki badań i tendencje rozwoju w zakresie warstw napawanych laserowo

Metodą proszkowego napawania laserowego można wytwarzać warstwy powierzchniowe z niemalże każdego materiału metalicznego, który można uzyskać w postaci proszku o odpowiedniej granulacji. Najbardziej rozpowszechnionymi materiałami są stopy niklu i kobaltu. Odpowiednio dobrany skład chemiczny tych stopów pozwala uzyskać warstwy o wymaganych dla danego zastosowania właściwościach.

Najczęściej jest to odporność na korozję czy żaroodporność, a w przypadku warstw

24 zawierających twarde wydzielenia faz międzywęzłowych – odporność na zużycie przez tarcie. Ta ostatnia zwiększa się przede wszystkim poprzez wytwarzanie kompozytowych warstw powierzchniowych, które w literaturze angielskiej często oznaczane są akronimem MMC (Metal Matrix Composite). Warstwy tego typu charakteryzują się budową kompozytową, w której faza wzmacniająca umiejscowiona jest w metalicznej osnowie.

Fazami wzmacniającymi mogą być twarde cząstki faz międzywęzłowych (WC, SiC, B

C, VC itp.), chociaż ostatnio obserwuje się zainteresowanie badaczy wprowadzaniem poza nimi również cząstek zwiększających właściwości smarne warstw powierzchniowych na przykład fluorek wapnia CaF

[108].

Na podstawie przeglądu literatury przedmiotu z lat 1966–1992, 1993–2000 oraz 2000–2015 dokonanego w oparciu o bazę publikacji Scopus (www.scopus.com) wykazano odpowiednio 79, 292 i 2141 artykułów naukowych na temat technologii laser cladding. Na przestrzeni ostatnich lat, można wiec zaobserwować duże zainteresowanie wytwarzaniem warstw powierzchniowych metodami laserowymi, a od roku 2000 także warstwami kompozytowymi. Istnieje ponad 500 publikacji naukowych, w których badacze zastosowali węgliki jako fazy wzmacniające do wytwarzania warstw odpornych na zużycie przez tarcie. Od roku 2010 widać również zainteresowanie badaczy zastosowaniem laserów dyskowych w inżynierii powierzchni.

Do najczęściej stosowanych i opisywanych warstw powierzchniowych wytwarzanych ze sproszkowanych stopów niklu należą NiCrBSi, NiCr, oraz Inconel 690 czy Inconel 600.

Spośród stopów na bazie kobaltu badacze najczęściej opisują stopy z rodziny stellitów.

Wymienione stopy są stosowane, jako osnowy w kompozytowych warstwach powierzchniowych, chociaż w tym celu wykorzystuje się również czyste proszki niklu lub kobaltu. Badacze podejmują tematykę wzmacniania warstw powierzchniowych różnego rodzaju cząstkami węglików, między innymi węglikiem TiC, SiC, B

C oraz WC.

2.4.2. Warstwy kompozytowe wzmacniane cząstkami B

C

Istnieje ograniczona ilość publikacji związanych z wytwarzaniem warstw powierzchniowych wzmacnianych cząstkami węglika boru B

C. Najczęściej, prowadzone badania dotyczyły łączenia tych cząstek z innymi węglikami np. wolframu czy krzemu.

Należy tu przytoczyć pracę S. Zhang’a, który wraz z zespołem badał wpływ prędkości

skanowania wiązką lasera CO

o dużej mocy na mikrostrukturę i właściwości warstw

25 WC-B

C-Co [114]. Warstwy powierzchniowe były wytwarzane na stali 45. Badacze sformułowali ogólną zależność, że zmiana prędkości skanowania wiązką lasera znacząco wpływa na strukturę i właściwości mechaniczne warstwy powierzchniowej poprzez zmianę wielkości ziaren.

Węglik boru jako faza wzmacniająca, był używany także przez chińskiego badacza X. Fan’a [29], który wraz ze swoim zespołem badawczym wytwarzał warstwy powierzchniowe na podłożu ze stopu tytanu Ti6Al4V przy użyciu mieszaniny proszkowej NiCrBSi i 2% B

C. Stwierdzili oni, że połączenie między podłożem i warstwą powierzchniową ma charakter metalurgiczny. Wprowadzenie węglika boru, spowodowało wytworzone warstw składających się z osnowy ze stopu na bazie niklu i rozproszonych w niej faz wzmacniających TiB

i TiC. Mikrotwardość napoin mieściła się w zakresie od 1200 do 1400 HV i tym samym była około trzykrotnie większa od mikrotwardości podłoża tytanowego.

Z koleji X. Niu i M.J. Chao wraz z zespołem badawczym zastosowali metodę laser cladding do wytwarzania warstw powierzchniowych w oparciu o stop Ni-Cr-Fe [17, 75].

Podjęli oni próbę wzmocnienia osnowy cząstkami B

C. Podobnie jak inni zaobserwowali bardzo dobre, metalurgiczne połączenie warstwy z podłożem, a jej mikrostruktura złożona była z dendrytycznej osnowy, w której zidentyfikowano jednorodnie rozmieszczone fazy B

C. Stwierdzono także, że mikrostruktura w dolnym, środkowym i górnym obszarze warstwy wykazuje odmienny charakter (rys. 10). W dolnym obszarze badacze zaobserwowali iglaste dendryty rozproszone w osnowie zbudowanej z roztworu stałego γ (NiFe). W środkowej i powierzchniowej strefie warstwy, poza iglastymi dendrytami zaobserwowano również międzydendrytyczne, eutektyczne wydzielenia w postaci białych płytek. Liczba białych wydzieleń była większa w strefie przypowierzchniowej niż w strefie środkowej.

Rys. 10. Mikrostruktura warstwy Ni-Cr-Fe z B4C wytworzona przy użyciu mocy wiązki lasera równej 1,4 kW i prędkości skanowania 2 mm/s: a) strefa dolna przy podłożu, b) obszar środkowy,

c) strefa przypowierzchniowa [17]

26 Autorzy nie przedstawili badań, z których wynikałoby, że wytworzone warstwy mają charakter typowego kompozytu, gdzie cząstki wzmacniające są widocznie odmienne od otaczającej je osnowy. Natomiast udowodnili, że dodanie fazy międzywęzłowej B

C dwukrotnie zwiększyło odporność na zużycie przez tarcie w porównaniu do warstwy wytworzonej z czystego stopu Ni-Cr-Fe. Warstwy te charakteryzowały się także wyjątkowo dużą twardością na poziomie 1400 HV0.3.

2.4.3. Warstwy kompozytowe wzmacniane cząstkami SiC

Tylko niewielu badaczy podjęło próby zwiększania trwałości warstw powierzchniowych metodą napawania laserowego przy użyciu mieszanin proszkowych zawierających twarde cząstki węglika krzemu SiC. Spośród ograniczonego grona badaczy, należy wymienić między innymi J. Zhang, W. Wu i L. Zhao [115], którzy przeprowadzili badania polegające na zwiększeniu twardości i odporności na zużycie przez tarcie powierzchni stopu magnezu AZ31 metodą proszkowego napawania laserowego. Jako materiał warstwy zastosowali mieszaninę proszkową stali 316L i węglika krzemu SiC.

Wyniki ich pracy pokazują, że warstwa napawana jest metalurgicznie połączona z magnezowym podłożem. Autorzy badali wiele parametrów procesu i uznali, że najkorzystniejszymi są: moc wiązki lasera równa 1,25 kW, a prędkość skanowania równa 25 mm/s. Wytworzone warstwy charakteryzowały się trzy razy większa twardością w porównaniu do podłoża.

Q. Li wraz z zespołem [62] przeprowadzili badania dotyczące mikrostruktury i odporności na zużycie w warunkach tarcia suchego warstw powierzchniowych o osnowie niklu wzmacnianych cząstkami węglika krzemu SiC. Zastosowali do tego celu mieszaninę proszkową w proporcjach 70% stopu niklu i 30% SiC, którą napawano na podłożu stalowym. Cząstki SiC całkowicie odpadały od wytwarzanej warstwy powierzchniowej i w efekcie jej mikrostruktura składa się z dendrytów roztworu stałego, dendrytycznych węglików M

C

i międzydendrytycznej eutektyki. W przypowierzchniowej części warstwy znajdowała się natomiast niewielka ilość kulistych wydzieleń grafitu.

Wydzielenia te pełniły funkcję fazy samosmarującej warstwę i tym samym zmniejszającej

zużycie. Testy odporności na zużycie w warunkach tarcia suchego wykazały, że

współczynnik tarcia wytworzonej warstwy jest mniejszy niż hartowanej stali. Wraz ze

zmniejszaniem się grubości warstwy w wyniku tarcia, zwiększała się intensywność

zużycia. Autorzy stwierdzili także, że istnie tarcie i zwiększeniem prędkości tarcia.

G. Abbas [1, 2] wraz z zespołem wytwarzali na stali metodą laser cladding warstwy Stellite-6 wzmacniane cząstkami SiC. Autorzy zastosowali laser CO

2 kW. Stwierdzili, że zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie można uzyskać dzięki zwiększeniu procentowego udziału węglika krzemu w mieszaninie proszkowej przeznaczonej do napawania. Autorzy stwierdzili, że 15% wprowadzonych czą rozpuściło się. Mikrostruktura wytworzonej warstwy charakteryzowała się budową dendrytyczną.

2.4.4. Kompozytowe warstwy powierzchniowe na osnowie stopów Ni, Fe i Co

Porównanie warstw NiCrBSi z warstwami kompozytowymi o tej samej osnowie wzmacnianych cząstkami WC badali między innymi C. Guo i J. Zhou [

oni w ten sposób stal nierdzewną cele

tarcie kulkami wykonanymi z azotku krzemu Si Stwierdzili, że warstwa

stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti w temperaturze 500°C około sześciokrotnie trwałość wytworzonej warstwy.

Rys. 11. Szybkość zużycia a)

Autorzy stwierdzili także, że istnieje liniowa zależność między zużyciem przez tarcie i zwiększeniem prędkości tarcia.

] wraz z zespołem wytwarzali na stali metodą laser cladding warstwy 6 wzmacniane cząstkami SiC. Autorzy zastosowali laser CO

2 kW. Stwierdzili, że zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie można uzyskać dzięki zwiększeniu procentowego udziału węglika krzemu w mieszaninie proszkowej przeznaczonej do napawania. Autorzy stwierdzili, że 15% wprowadzonych czą rozpuściło się. Mikrostruktura wytworzonej warstwy charakteryzowała się budową

Kompozytowe warstwy powierzchniowe na osnowie stopów Ni, Fe i Co

Porównanie warstw NiCrBSi z warstwami kompozytowymi o tej samej osnowie ąstkami WC badali między innymi C. Guo i J. Zhou [

oni w ten sposób stal nierdzewną celem późniejszego badania odporności tarcie kulkami wykonanymi z azotku krzemu Si

N

w podwyższon

NiCrBSi dwukrotnie zwiększa odporność na zużycie przez tarcie stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti w temperaturze 500°C, a dodatek cząstek WC zwiększa około sześciokrotnie trwałość wytworzonej warstwy.

. Szybkość zużycia a) warstwy NiCrBSi/WC, b) warstwy NiCrBSi, c) stali nierdzewnej [40]

27 je liniowa zależność między zużyciem przez

] wraz z zespołem wytwarzali na stali metodą laser cladding warstwy

2

o mocy znamionowej 2 kW. Stwierdzili, że zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie można uzyskać dzięki zwiększeniu procentowego udziału węglika krzemu w mieszaninie proszkowej przeznaczonej do napawania. Autorzy stwierdzili, że 15% wprowadzonych cząstek rozpuściło się. Mikrostruktura wytworzonej warstwy charakteryzowała się budową

Kompozytowe warstwy powierzchniowe na osnowie stopów Ni, Fe i Co

Porównanie warstw NiCrBSi z warstwami kompozytowymi o tej samej osnowie, ale ąstkami WC badali między innymi C. Guo i J. Zhou [40]. Modyfikowali m późniejszego badania odporności na zużycie przez w podwyższonej temperaturze.

odporność na zużycie przez tarcie , a dodatek cząstek WC zwiększa

warstwy NiCrBSi/WC, b) warstwy NiCrBSi,

28 Podczas gdy powierzchnia stali nierdzewnej wykazywała znaczne zużycie adhezyjne oraz deformacje plastyczną, to obie warstwy powierzchniowe wytworzone w technologii proszkowego napawania laserowego ścierały się bardzo wolno. Zaobserwowano jednak, że produkty zużycia warstwy powodowały zniszczenie kulki ceramicznej.

Na rysunku 11 przedstawiono wyniki badań autorów publikacji, które pokazują znaczne różnice między zużyciem podłoża stalowego i poszczególnych warstw powierzchniowych.

Tematykę pękania warstw kompozytowych poruszał także P. Wu wraz z zespołem [100]. Problem pękania dotyczył w tym przypadku warstw powierzchniowych na osnowie niklu wzmacnianych cząstkami WC. Autorzy zaproponowali dwa skuteczne sposoby eliminacji pęknięć w napoinach. Pierwszym sposobem było podobnie jak w przypadku prac G. Xu i M. Kutsuna wytworzenie napoin wielowarstwowych, w których każda kolejna warstwa miała większą koncentrację cząstek węglika wolframu, aż do uzyskania zawartości 60% WC w mieszaninie proszkowej. Autorzy zastosowali w tym celu trzyetapowe wytwarzanie napoiny. Drugim sposobem było dokonanie optymalizacji stężenia cząstek WC oraz parametrów laserowych i grubości wytworzonej warstwy.

Mikrostruktury kompozytowych warstw powierzchniowych wykonanych opracowanymi przez autorów sposobami przedstawiono na rysunku 12.

Rys. 12. Fotografia SEM przekroju poprzecznego warstwy powierzchniowej: a) wytwarzanej z mieszaniny proszkowej zawierającej 60% WC, b) wytwarzanej w trzech etapach [100]

Autorzy, podsumowując swoje badania stwierdzili, że wytwarzanie gradientowych warstw trzystopniowych nie jest zalecane na większą skalę z uwagi na skomplikowaną obróbkę laserową i gorsze połączenie między cząstkami wzmacniającymi, a osnową.

Dodatkowo stwierdzili także, że zastosowanie gradientowych warstw jest nieodpowiednie

dla wyrobów narażonych na długotrwałe zużycie przez tarcie, ponieważ wytworzona

warstwa na całej swojej grubości ma różną koncentrację węglików, twardość a co za tym idzie inaczej się zużywa.

Na rysunku 13 przedstawiono wyniki badań dotyczące zużycia wytworzonych przez Autorów

powierzchniowych występuje gwałtowne zwiększenie ubytku masy ze zmniejszenia odporności na zużycie spowodowane mniejszą ilością WC w strefie znajdującej się na większej

większą wagę przykładać do optymalizac

obróbki celem wytworzenia warstwy powierzchniowej o jednorodnych właściwościach na całej grubości.

Rys. 13. Odporność na zużycie przez tarcie stali niskowęglowej oraz warstw powierzchniowych wytwarzanych z mieszaniny proszkowej zawierającej

M. Zhong wraz z zespołem [ na skłonność do pękania war

obserwuje się pęknięcia dopiero po przekroczeniu zawartości 18% WC w

proszkowej i wyjaśnił, że przyczyną powstawania pęknięć są duże naprężenia rozciągające powstające w procesie wytwarzania warstwy, a za główny powód można podać kruchość i przypadkowe rozmieszczenia oraz kształt twardych faz. W celu zmniejszenia tendencji do pękania Autorzy zaproponowali

ej grubości ma różną koncentrację węglików, twardość a co za tym idzie inaczej się zużywa.

przedstawiono wyniki badań dotyczące zużycia warstw powierzchniowych wytworzonych przez Autorów. Jak widać, w trójstopniowych warstwach

h występuje gwałtowne zwiększenie ubytku masy odporności na zużycie spowodowane mniejszą ilością WC w strefie znajdującej się na większej głębokości. Badacze s

większą wagę przykładać do optymalizacji bądź wyboru najlepszych parametrów obróbki celem wytworzenia warstwy powierzchniowej o jednorodnych właściwościach

Odporność na zużycie przez tarcie stali niskowęglowej oraz warstw powierzchniowych wytwarzanych z mieszaniny proszkowej zawierającej 60% WC oraz w trzech etapach

M. Zhong wraz z zespołem [120, 121] także analizował wpływ ilości czastek WC skłonność do pękania warstw powierzchniowych. Stwierdził

obserwuje się pęknięcia dopiero po przekroczeniu zawartości 18% WC w

, że przyczyną powstawania pęknięć są duże naprężenia rozciągające rocesie wytwarzania warstwy, a za główny powód można podać kruchość i przypadkowe rozmieszczenia oraz kształt twardych faz. W celu zmniejszenia tendencji do

zaproponowali zmieniać morfologie wytwarzanych faz.

29 ej grubości ma różną koncentrację węglików, twardość a co za tym

warstw powierzchniowych . Jak widać, w trójstopniowych warstwach h występuje gwałtowne zwiększenie ubytku masy wynikające

odporności na zużycie spowodowane mniejszą ilością cząstek . Badacze stwierdzili, że należy ji bądź wyboru najlepszych parametrów obróbki celem wytworzenia warstwy powierzchniowej o jednorodnych właściwościach

Odporność na zużycie przez tarcie stali niskowęglowej oraz warstw powierzchniowych trzech etapach [100]

] także analizował wpływ ilości czastek WC stw powierzchniowych. Stwierdził, że w warstwach obserwuje się pęknięcia dopiero po przekroczeniu zawartości 18% WC w mieszaninie , że przyczyną powstawania pęknięć są duże naprężenia rozciągające rocesie wytwarzania warstwy, a za główny powód można podać kruchość i przypadkowe rozmieszczenia oraz kształt twardych faz. W celu zmniejszenia tendencji do

zmieniać morfologie wytwarzanych faz. Przedstawili oni

30 także także porównawcze badania eksperymentalne skłonności do pękania innych warstw powierzchniowych. Stwierdzili, że warstwy NiCrSiB mają dużą skłonność do pękania, natomiast dodatek do nich 50% niklu powoduje powstawanie mikrostruktury wolnej od pęknięć.

Charakterystki kompozytowych warstw powierzchniowych Ni-Cr + WC dokonał L. St-Georges [96] stosując do ich wytworzenia laser neodymowy o mocy znamionowej 4 kW. Celem badań było wykonanie modyfikacji powierzchni stali węglowych do zastosowania na aplikacje, których warunkami eksploatacyjnymi jest środowisko powodujące tarcie i utlenianie. Badania zostały wykonane głównie pod kątem obserwacji odporności na zużycie przez tarcie metodą wirującej tarczy gumowanej, zgodnie z normą ASTM G-65 (rys. 4). Autor, jako osnowę zastosował stop zawierający 85% niklu oraz sferyczne węgliki w postaci proszku o rozmiarach ziaren mieszczących się w zakresie od 45 do 150 mikrometrów. Dodatkowo wykonano warstwy metodą tradycyjną w łuku elektrycznym. Badacz stwierdził sześciokrotne zwiększenie odporności na zużycie przez tarcie warstw wytworzonych przy użyciu metody laser cladding w porównaniu z warstwami wytworzonymi metodą tradycyjną. Zwiększona odporność na zużycie wynikała z małego rozpuszczenia się cząstek WC i szybkiego krzepnięcia warstwy, co w efekcie spowodowało uzyskanie kompozytowej mikrostruktury o dużym udziale cząstek WC i drobnej mikrostrukturze osnowy. Na rysunku 14 przedstawiono porównanie warstw powierzchniowych wytworzonych metodą laser cladding i metodą tradycyjną po procesie tarcia. Widoczny jest znacznie większy udział twardych cząstek WC w warstwie wytworzonej w technologii proszkowego napawania laserowego.

Rys. 14. Wygląd powierzchni próbki po ścieraniu a) podłoże stalowe, b) warstwa napawa tradycyjne c) warstwa napawana laserowo [96]