ΜΕΛΕΤΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΚΟΠΩΣΗΣ ΤΟΥ ΚΑΤΕΡΓΑΣΜΕΝΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΧΑΛΥΒΑ ΕΝ ΘΕΡΜΩ

AISI H13 ΜΕ ΕΠΕΝΔΥΣΗ ΚΡΑΜΑΤΟΣ WNI28FE15Λέξεις κλειδιά:κράμα W , WNi28Fe15, συγκόλληση τόξου, χύτευση υψηλής πίεσης σε καλούπι, θερμική κόπωση

Μετάφραση αρχικού κειμένου:Στεργίου Ιάκωβος

Περίληψη

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται ο θερμικός κύκλος του κράματος W, WNi28Fe15, το οποίο χρησημοποιείται σαν υλικό επένδυσης των επιφανειών σε εξαρτήματα χύτευσης υψηλής πίεσης. Χρησημοποιήθηκε συγκόλληση GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) για την εναπόθεση του κράματος W στην μορφή ράβδου συγκολλήσεως σε κυλινδρικά δείγματα φτιαγμένα απο εν θερμώ κατεργασμένο εργαλειοχάλυβα AISI H13. Για τον θερμικό κύκλο των δειγμάτων με μήκος 40mm και διάμετρο 30mm έγινε χρήση μιας γεννήτριας υψηλών συχνοτήτων στα 20KHz. Νερό θερμοκρασίας 8οC διερχόταν μέσω της εσωτερικής τρύπας που διανήχθηκε στο κέντρο των δειγμάτων. Κάθε θερμικός κύκλος αποτελούνταν απο 5 sec θέρμανση ακολουθούμενη απο 30 sec ψήξη. Η θερμοκρασία της επιφάνειας κατα τον θερμικό κύκλο μετρήθηκε με τη χρήση κάμερας υπερύθρων. Τα τελικά αποτελέσματα μελετήθηκαν απο μέσα μικροδομικής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν οτι το επενδυμένο στρώμα του κράματος W έδειξε εξαιτρετική αντίσταση σε θερμική κόπωση, σε σύγκριση με τα δείγματα μη επιστρωμένου εργαλειοχάλυβα AISI H13. Η σκληρότητα της επιφάνειας των επενδυμένων δειγμάτων με κράμα W είναι περίπου 100HV0.5 μεγαλύτερη σε σύγκριση με τον εν θερμώ κατεργασμένο εργαλειοχάλυβα AISI H13, κατα τη λήξη των θερμικών κύκλων. Επιπλέον ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής μετρήθηκε για το κράμα WNi28Fe15 σε εύρος θερμοκρασιών 25-11000C. Μια μέση τιμή για το συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής στο εύρος των 25-700οC είναι 12.3x10-6K-1.

Εισαγωγή

Τα εξαρτήματα χύτευσης υψηλής πίεσης στην βιομηχανία είναι συνήθως κατασκευασμένα απο εν θερμώ κατεργασμένο (HWTS) χρωμιομένο εργαλειοχάλυβα. Σύμφωνα με το AISI συνήθως χρησημοποιούνται γι αυτό χάλυβες H13 και Η11. Οι HWTS θα πρέπει να χαρακτηρίζονται απο υψηλή αντοχή, σκληρότητα, δυσθραυστότητα σε κρούση, αντοχή σε φθορά και υψηλή θερμοκρασία, συνθήκες που επικρατούν στη διάρκεια λειτουργίας τους. Η χύτευση υψηλής πίεσης σε καλούπι είναι μια διαδικαία με πολλά στάδια. Κατα το πρώτο βήμα ένα γαλάκτωμα με βάση το νερό ψεκάζεται στην επιφάνεια του καλουπιού, ακολουθούμενο απο το κλείσιμο της κοιλότητας του καλουπιού. Τηγμένο κράμα, συνήθως αλουμινίου ή μαγνησίου, γεμίζει τις κοιλότητες υπο υψηλή πίεση και ταχύτητα, που φτάνει συνήθως τα

40 με 60m/s. Στο τελευταίο στάδιο το στερεοποιημένο χυτό αφαιρείται απο το καλούπι απο ενεργοποιού-μενους περους που βρίσκονται στα τοιχώματα του καλουπιού. Εξαρτήματα της αυτοκινητοβιομηχανίας συνήθως κατασκευάζονται απο κράματα αλουμινίου με ένα ποσοστό πυριτίου της τάξης του 7-12%wt, εξαιτίας της βελτιωμένης ρευστότητας του λιωμένου πυριτίου που συμβάλει στην καλύτερη ρευστότητα του κράματος συνολικά. Η διάβρωση, η συγκόλληση του καλουπιού και τα κυκλικά θερμικά φορτία είναι τρείς βασικοί παράγοντες που προκαλούν πρώιμη φθορά των καλουπιών.

Συγγραφείς έχουν επιβεβαιώσει οτι η διάβρωση του καλουπιού συμβαίνει κυρίως εξαιτίας της επίδρασης των στερεοποιημένων σωματιδίων που βρίσκονται στο λιωμένο κράμα. Η συγκόλληση των μερών του καλουπιού ορίζεται ως η προσθήκη του χυτού κράματος στην επιφάνεια του καλουπιού. Έχει ήδη δημοσιοποιηθεί ότι οι διαμεταλλικές δάσεις του κράματος Al-Fe σχηματίζονται στην επιφάνεια του καλουπιού κατα τη στερεοποίηση του κράματος Al στην περίπτωση του καλουπιού χάλυβα. Ο Xiao και οι σχετικοί έδειξαν ότι οι διαμεταλλικές φάσεις WAl5 και WAl12 σχηματίζονται στις επιφάνειες του κράματος W, WNi6Fe3, όταν αυτό εκτεθεί σε τηγμένο κράμα αλουμινίου. Ο μεγαλύτερος και σημαντικότερος μηχανισμός για την πρόωρη αστοχία του καλουπιού είναι το κυκλικό θερμικό φορτίο. Όταν το τηγμένο κράμα εισέρχεται στις κοιλότητες του καλουπιού αυτό θερμαίνεται απότομα στους 7000C, καταλήγοντας σε δημιουργία συμπιεστικών τάσεων στα επιφανειακά στρώματα. Αμέσως μόλις το χυτό αφαιρεθεί απο την κοιλότητα του καλουπιού, η επιφάνεια ψύχεται γρήγορα, εξαιτίας του ψυχρόυ γαλακτώματος που ψεκάζεται στην θερμή κοιλότητα. Τα στρώματα της επιφάνειας προσπαθούν να συσταλούν σύμφωνα με τον συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής, αλλά το μέταλλο κάτω απο την επιφάνεια με τη μεγαλύτερη θερμοκρασία αντιστέκεται. Αρχίζουν να αναπτύσσονται ρωγμές στην επιφάνεια του καλουπιού λόγο του μεγάλου εφελκυστικού φορτίου. Στην περίπτωση επένδυσης με laser , επιτυγχάνονται στην επιφάνεια συμπιεστικές τάσεις οι οποίες συμβάλουν αρκετά για την επίτευξη μεγαλύτερης διάρκειας ζωής των εξαρτημάτων αυτών. Ο Grum και ο Slabe έδειξαν ότι μπορεί να χρησημοποιηθεί laser για την εκνέου τήξη βαθιών επιφανειακών ρωγμών, αλλά η μικροδομή δεν είναι ομοιογενής, όπως και οι μηχανικές ιδιότητες. Απο εμπειρία στην εφαρμογή είναι γνωστό ότι η αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας του καλουπιού, έχει σαν συνέπεια την αύξηση του χρόνου παραγωγής. Για να χαρακτηρίσουμε υλικά που χρησημοποιήθηκαν για επένδυση των HWTS, σχεδιάστηκαν διαφορετικά τεστ θερμικής κόπωσης. Ο Tusek ερευνά την ανάπτυξη θερμικών τάσεων, και την αντίσταση σε θερμική κόπωση, με τη χρήση τεστ βυθίσεως. Ο Branco έδειξε ότι η θέρμανση με επαγωγή , μπορεί να χρησημοποιηθεί επιτυχώς για την εκτίμηση επικαλυμένων δειγμάτων AISI H13 , κατα την έκθεσή τους σε κυκλικά θερμικά φορτία.

Οι τεχνολογίες συγκολλήσεως και συγκεκριμένα η GTAW, είναι κατάλληλες για επίστρωση και ένδυση των φθαρμένων εξαρτημάτων, των σπασμένων ή αυτών που έχουν στην επιφάνειά τους ρωγμές εξαιτίας θερμικών εναλλαγών. Η συμπεριφορά της επιφάνειας των εξαρτημάτων κατα τις συνθήκες λειτουργίας τους βασίζεται στο υλικό πλήρωσης που χρησημοποιείται για την επιφανειακή επικάλυψη. Το υλικό επικάλυψης-πλήρωσης επιλέγεται κυρίως με κριτήριο το υλικό <<βάσης>> του εξαρτήματος και επίσης με τις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες που χρειάζεται να έχει το επίστρωμα. Άλλες τεχνικές λεπτών επιστρώσεων όπως οι PVD και CVD έχουν δείξει επίσης άριστα αποτελέσματα στη διαδικασία χύτευσης υψηλής πίεσης. Διεξάχθηκαν με επιτυχία στην επιφάνεια του χάλυβα AISI H13 μερική τήξη της επιφάνειας με laser και διαδικασία κραματοποίησης με σκόνες που περιέχουν Co.

Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν οτι οι θερμικές ρωγμές είναι μεγαλύτερες πλησιέστερα στο σημείο εισαγωγής του τήγματος στο καλούπι και είναι πιθανότερο να συμβούν σε σημεία που υπάρχει συγκέντρωση τάσεων λόγο γεωμετρίας. Τα υλικά που χρησημοποιούνται στη χύτευση υψηλής πίεσης θα πρέπει να έχουν, τόσο καλές μηχανικές, όσο και φυσικές ιδιότητες ώστε να αντέχουν στα μηχανικά και θερμικά φορτία κατα τη λειτουργία τους. Πρέπει να έχουν χαμηλό συντελεστή θερμικής

διαστολής, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή αντοχή σε λύγισμό υπο υψηλή θερμοκρασία, καλή αντίσταση στην ψήξη, υψηλή αντοχή στον ερπυσμό και επαρκή ολκιμότητα. Συγκεκριμένα η αντίσταση σε θερμική κόπωση και η αντίσταση στην ψήξη εξαιτίας της έκθεσης τους σε υψηλές θερμοκρασίες είναι συχνά απαραίτητες . Για να διασφαλιστούν οι απαραίτητες αυτές μηχανικές ιδιότητες στο στρώμα επένδυσης κατα την επίστρωση, θα πρέπει να διατηρούνται στο ελάχιστο κατα την επεξεργασία με laser και την συγκόλληση τόξου. Ο Zhu απέδειξε ότι προηγμένα υλικά βασισμένα σε κράματα W δείχνουν την καλύτερη αντίσταση σε συγκόληση, σε έκπλιση και απομάκρυνσή τους απο τα εξαρτήματα, καθώς και στον σχηματισμό στωμάτων διαμεταλλικών φάσεων. Σύμφωνα με τον Tong η αντίσταση σε θερμική κόπωση του χάλυβα AISI H13 θα μπορούσε να βελτιωθεί με κραμάτωση 75%Cr-25%Ni. Ο στόχος αυτής της έρευνας ήταν να διερευνηθεί το κράμα W, WNi28Fe15 , που επιστρώνεται σε κοινό χάλυβα Η13 , ενάντια στις κυκλικές θερμικές φορτίσεις. Το κράμα W χρησημοποιήθηκε εξαιτίας της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας του, που σύμφωνα με τον κατάλογο είναι κατα δύο φορές μεγαλύτερη απο αυτή του HWTS AISI H13.

Η αντίσταση του WNi28Fe15 ενάντια σε κυλκικές θερμικές φορτίσεις έχει διερευνηθεί απ’ όλους τους άλλους συγγραφείς. Τα παρατηρούμενα δεδομένα για τη μικροδομική, μηχανική και διαστολομετρική παρατήρηση θα βοηθήσουν στη βελτίωση της επιφάνειας των εξαρτημάτων του καλουπιού χύτευσης υψηλής πίεσης, και επίσης θα αυξήσουν τον ρυθμό παραγωγής μέσω χύτευσης.

Πειραματική διαδικασία

Κυλινδρικά δείγματα κατασκευασμένα απο εν θερμώ κατεργασμένο, χρωμιωμένο εργαλειοχάλυβα AISI H13 , διατέθηκαν σε μια κατάσταση ελαφριάς ανόπτησης, στην οποία τα καρβίδια των κραματικών στοιχείων έχουν σφαιρικό σχήμα και είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα μέσα σε ένα φεριτικό πλέγμα. Το υλικό πλήρωσης για την επίστρωση των χαλύβδινων δειγμάτων ήταν κατασκευασμένο απο κράμα WNi28Fe15 . Για την παραγωγή των ράβδων συγκόλλησης χρησημοποιήθηκαν σκόνες Ni, Fe και W, και πυροσυσωματώθηκαν σε αναγωγική ατμόσφαιρα Ar και 7,5vt%H2 . Η χημική σύσταση του υλικού που αποτελεί τη βάση του επιστρώματος, καθώς και της ράβδου συγκολλήσεως παρουσιάζεται στον πίνακα 1.

Η χημική σύσταση του μετάλλου βάσεως καθορίστηκε με τη χρήση αναλυτή GNR F-20, ενώ η χημική σύσταση του υλικού πλήρωσης ήταν ήδη καθορισμένη με το περιεχόμενο κατα βάρος σε W, Ni και Fe για την πυροσυσσωμάτωση, και τη δημιουργία της ράβδου συγκόλλησης.

Προετιμασία δειγμάτων και διαδικασία επίστρωσης με GTAW

Τρείς ομάδες δειγμάτων ετοιμάστηκαν με βάση τον πίνακα 2. Κατασκευάστηκαν κύλινδροι αναφοράς απο χάλυβα AISI H13 , καθώς και κύλινδροι που θα υποστούν την επένδυση με το κράμα W .

Αρχικά θερμάνθηκαν και κατεργάστηκαν με βαφή και επαναφορά στην αρχική τους σκληρότητα των 49-51 HRC.

Το δείγμα αναφοράς έιχε μέγεθος Ǿ30x40mm και κατασκευάστηκε εξολο-κλήρου απο χάλυβα AISI H13. Έχουν χρησημοποιηθεί πανομοιότυπα δέιγματα απο τον Starling και Branco. Προετοιμάστηκαν δύο ομάδες δειγμάτων για επίστρωση με κράμα W, με διαμέτρους των 28 και 26mm με τη μέθοδο turning. Μετά την επίστρωση προετοιμάστηκαν στην τελική διάμετρο των 30mm. Το πάχος του εναποτιθέμενου στρώματος ήταν 1 και 2 mm αντίστοιχα. Εξαιτίας της διαστολής μεταξύ του υλικού βάσης και της ράβδου συγκόλλησης κατα τη διαδικασία συγκόλλησης τόξου το τελικό πάχος του τηγμένου στρώματος αυξήθηκε. Διαμέσου μιας τρύπας που δημιουργήσαμε με διάμετρο 10mm στο κέντρο του άξονα του κυλινδρικού δείγματος συνδέσαμε μέσω πάσων στα άκρα της τρύπας, γραμμή ψήξης νερού με βιδωτούς αντάπτορες. Το σχέδιο του δείγματος που χρησημοποιήθηκε για το θερμικό κύκλο φαίνεται στο σχέδιο (1).

Εξαιτίας του υψηλού περιεχομένου του χάλυβα HWTS AISI H13 σε άνθρακα και κραματικά στοιχεία, η επίστρωση των δειγμά-των εκτελέστηκε προσεκτικά. Η θερμοκρασία προθέρμανσης για τον χάλυβα AISI H13 υπολο-γίστηκε σύμφωνα με τη Seferian method η οποία δίνεται απο την εξίσωση (1) όπου το Ce συβολίζει το γραμμοϊσοδύναμο του άνθρακα :

(1)

Το Ce υπολογίστηκε με την εξίσωση (2) στην οποία το Ck περιγράφει τη χημική σύσταση του υλικού βάσης και το Cd το πάχος του υλικού . Το τοίχωμα του κυλίνδρου που υπέστει την επένδυση με συγκόλληση ήταν 9 και 8mm αντίστοιχα.

Ce=Ck+Cd (2)

Το Ck υπολογίζεται με τη χρήση της εξίσωσης (3) αφού εισάγουμε το περιεχόμενο βάρος των κραματικών στοιχείων στο μέταλλο βάσης

(3)

Το Cd υπολογίζεται απο την εξίσωση (4) αφού εισάγουμε το πάχος του υλικού βάσης S, σε mm στο οποίο θα αποτεθεί το κράμα W

Cd=5x10-3 x S (4)

Όταν εισάγουμε τις τιμές στις εξισώσεις αυτές, προκύπτουν τα αποτελέσματα που δίνονται στον πίνακα (3).

Σύμφωνα με την θεωριτικά προσ-διορισμένη θερμοκρασία, και τα δύο δείγ-ματα που επιστρώθηκαν με WNi28Fe15 είχαν προθερμανθεί στους 3200C. Η διά-μετρος της ράβδου συγκόλλησης ήταν 1.6mm και οι πόντες συγκόλλησης τοποθετήθηκαν ακτινικά επάνω στο κυλινδρικό δείγμα. Κατα τη διαδικασία επίστρωσης η τάση συγκόλλησης V και το ρεύμα συγκόλλησης I διατηρήθηκαν σταθερά στα 8.7V και 60Α . Σαν αέριο προστασίας του σημείου συγκόλλησης χρησημοποιήθηκε Argon 5.0, με ογκομετρική παροχή 12 l/min ώστε να αποφευχθεί η οξείδωση του επιστρώματος. Το ποσοστό αραίωσης μεταξύ του υλικού βάσης και της ράβδου συγκόλλησης υπολογίστηκε πειραματικά σύμφωνα με το παράρτημα στο σχέδιο (2). Μονά πάσα εναποτέθηκαν σε AISI H13, προθερμασμένο στους 3200C . Το σύρμα συγκόλλησης (ράβδος) με διάμετρο 1.6mm χρησημοποιήθηκε για την εναπόθεση των σημειακών συγκολλήσεων. Το ποσοστό αραίωσης κατα την συγκόλληση υπολογίζεται με βάση την εξίσωση (5) όπου το Α1 παρουσιάζει την επιφάνεια εγκάρσιας διατομής του υλικού βάσεως και το Α2 την επιφάνεια εγκάρσιας διατομής του υλικού πλήρωσης.

(5)

Οι επιφάνειες εγκάρσιας διατομής Α1 και Α2 μετρήθηκαν σε τρία διαφορετικά σημεία κατα την εναποτιθέμενη κόλληση. Μέσες τιμές είναι 4.21mm2 για το Α1 και 2.54mm2 για το Α2. Το υπολογιζόμενο μέσο PCD σύμφωνα με την εξίσωση (5) είναι 62.3%

Τεστ θερμικής κόπωσης

Το τεστ θερμικής κόπωσης έγινε με τη χρήση επαγωγικής θερμικής μηχανής ELIN, ρυθμισμένη για κυκλικά θερμικά φορτία. Το υδρόψηκτο πινίο με τα δύο σπειρώματα δημιουργήθηκε απο καρέ χαλκού τετραγωνικής διατομής και συνδέθηκε στην γεννήτρια υψηλών συχνοτήτων σε λειτουργία στα 20KHz σύμφωνα με το σχήμα (3).

Tα δείγματα ψύχονταν εσωτερικά με νερό θερμοκρασίας 8οC. Η ογκομετρική παροχή ήταν 7 l/min . Για να ρυθμιστούν οι παράμετροι λειτουργίας της γεννήτριας χρησημοποιήθηκε η κάμερα υπερύθρων Flir ThermaCAM S60 για τη μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας των δειγμάτων κατα τη διάρκεια ενός θερμικού κύκλου. Ο ρυθμός λήψης εικόνων ρυθμίστικε στα 50 Hz. Η μέτρηση έγινε ενδιάμεσα απο τα πινία επαγωγής όπως φαίνεται στην εικόνα (4).

Σύμφωνα με την εικόνα (4) η μέγιστη θερμοκρασία των 5800C επιτεύχθηκε μετά απο 5sec επαγωγής. Στα επόμενα 35sec η επιφάνεια του δείγματος ψύχθηκε στην ελάχιστη θερμοκρασία των 120C. Η διάρκεια ενός θερμικού κύκλου ήταν 40 sec και η θερμοκρασιακή ταλάντωση στο σημείο μέτρησης ήταν 4680C αντίστοιχα. Κάθε 50 θερμικούς κύκλους η διαδικασία διακόπτονταν για να γίνει οπτικός έλεγχος της επιφανειακής κατάστασης του δείγματος, συγκεκριμένα για την εμφάνιση των πρώτων θερμικών ρωγμών.

Χαρακτηρισμός

Οι επιφάνειες εγκάρσιας διατομής των δειγμάτων προετοιμάστηκαν με λείανση με γυαλόχαρτα SiC, grit 80-2500, και στην συνέχεια ακολούθησε στίλβωση με τη χρήση λειαντικών δίσκων και διαμαντόπαστας 6,3 και 1μm. Χρησημοποιήθηκε διάλυμα 10g FeCl3 2H2O σε 100mml Η2Ο, ως

προσβλητικό μέσο, για χημική προσβολή. Η μικροδομή του επενδυμένου στρώματος ερευνήθηκε χρησημοποιώντας SEM JEOL JSM-5610 εξοπλισμένο με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτίνων-χ (EDXS). Η οπτική μικροσκοπία εκτελέστηκε με το OLYMPUS BX61. Η σκληρότητα μετρήθηκε με φόρτιση 500g των δειγμάτων με τη χρήση του ZWICK ZHU 2.5 εξοπλισμένο με το λογισμικό testXpert για τη μέρτηση των χαραγμένων διαγωνίων των αποτυπωμάτων. Η σκληρότητα των μικροδομικών φάσεων στο επιστρωμένο στρώμα μετρήθηκε με φόρτιση 50g με το μηχάνημα Leitz Miniload 2 το οποίο έχει ως λειτουργικό το PRIMO. Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής μετρήθηκε με το διαστολόμετρο βαφής LINSEIS R.I.T.A. L78. Η διαστολομετρική μέτρηση εκτελέστηκε σε θερμοκρασίες μεταξύ 25 και 11000C. Ο ρυθμός θέρμανσης και ψήξης διατηρούνταν συνεχώς σταθερός στους 2K/min. Το δοκίμιο βρέθηκε σε μέγιστη θερμοκρασία για 10 min.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Μικροδομική ανάλυση

Για να προσδιοριστεί η αντίσταση των υλικών ενάντια στα κυκλικά θερμικά φορτία χρησημοποιήθηκε οπτικό μικροσόπιο για τη διερεύνηση της εμφάνισης της επιφάνειας των δειγμάτων μετά απο το τέλος του κυκλικού θερμικού φορτίου. Δείγματα κατασκευασμένα απο εν θερμώ κατεργασμένο (HWTS) AISI H13 εργαλειοχάλυβα αποδείχθηκαν ως τα χειρότερα μεταξύ άλλων δοκιμασμένων υλικών δειγμάτων. Οι πρώτες ρωγμές εμφανίζονται μετά απο 950 θερμικούς κύκλους. Οι ρωγμές με τη μορφή ενός καλά οργανωμένου δικτύου εμφανίστηκαν σε όλη την επιφάνεια του δείγματος. Οι ρωγμές σε αντίστοιχα επενδυμένο χάλυβα με κράμα W εμφανίστηκαν αργότερα μετά απο 1650 και 1800 κύκλους σύμφωνα με τον πίνακα (4).

Αντίθετα δεν εμφανίστηκε δίκτυο ρωγμών στα δείγματα που επενδύθηκαν με το κράμα βολφραμίου WNi28Fe15 όπως φαίνεται στην εικόνα (5b) και (5c). Μόνο ανεξάρτητες ρωγμές παρατηρήθηκαν στην επιφάνεια των δειγμάτων σύμφωνα με την εικόνα (5). Ρωγμές στο επιστρωμένο δείγμα βρέθηκαν προσανατολισμένες σε μια διεύθυνση κατα ύψος. Ο πιο πιθανός λόγος για την εμφάνιση αυτών των ανεξάρτητων ρωγμών στα επιστρωμένα δείγματα θα μπορούσε να είναι η διαδικασία επίστρωσης με συγκόλληση τόξου. Κατα τη στερεοποίηση του τηγμένου κράματος αναπτύσσονται υψηλές εφελκυστικές τάσεις μέσα στο επίστρωμα. Κατα τους θερμικούς κύκλους αυτές οι τάσεις ξεπέρασαν την μέγιστη αντοχή στον εφελκυσμό του υλικού σε ορισμένα σημεία, δημιουργώντας ρωγμές με μη ομοιογενή εμφάνιση στην επιφάνεια των δειγμάτων.

Για να καθορίσουμε την διάδωση, το βάθος και το πλάτος των θερμικών ρωγμών, μελετήθηκαν επιφάνειες εγκάρσιας διατομής των δειγμάτων. Όπως φαίνεται στην εικόνα(6) το πάχος του σκληρυμένου επιφανειακού στρώματος για το χάλυβα AISI H13 διακρίνεται καθαρά. Αυτό το σκληρυμένο στρώμα δημιουργείται κατά τη δοκιμή, εξαιτίας της έκθεσης του δείγματος σε υψηλές θερμοκρασίες. Το μέσο βάθος των ρωγμών του σκληρυμένου στρώματος είναι περίποου 1.8mm. Το τυπικό βάθος των ρωγμών που μετρήθηκε στα επίπεδα εγκάρσιας διατομής είναι περίπου 100μm και το πλάτος 15 εως 30μm. Κάποιες <<σφήνες>> οξειδίων που σχηματίζονται στην επιφάνεια αυξάνουν επιπλέον τις τάσεις στην κορυφή των ρωγμών, εξαιτίας του πολύ μεγαλύτερου συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής τους σε σχέση με αυτό του χάλυβα AISI H13. Σύμφωνα με τους Kosec και Kosel τα εξαρτήματα τα οποία λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες καλύπτονται με προϊόντα οξείδωσης. Αυτά τα οξείδια γίνονται μηχανικά ασταθή λόγο των κυκλικών θερμικών φορτίων. Σαν αποτέλεσμα εμφανίζονται τοπικές αστοχίες του υλικού. Στην περίπτωση μόνιμης μηχανικής αστάθιας των προϊόντων οξείδωσης ανπτύσσεται μια <<σφήνα>> προκαλώντας τοπικές αστοχίες όπως φαίνεται στην εικόνα (6b).

Στην εικόνα (7) φαίνεται το δείγμα με επίστρωση WNi28Fe15 πάχους 1mm. Λόγο της διαστολής μεταξύ υλικού πλήρωσης και της ράβδου συγκόλλησης το μέσο πάχος του λειωμένου στρώματος είναι περίπου 2mm. Οι πρώτες ρωγμές εμφανίστηκαν μετά απο 1650 θερμικούς κύκλους. Μετά τους 1700 κύκλους σταμάτησε η δοκιμή εξαιτίας της ταχείας διάδωσης των ρωγμών απο την επιφάνεια , μέσα στο υλικό βάσης και προς το κανάλι της ψήξης. Η διάδωση των ρωγμών μέσω του υλικού βάσης διακρύνεται καθαρά.

Στην εικόνα (8) παρουσιάζονται εικόνες απο εγκάρσιες διατομές για το δείγμα με επίστρωση πάχους 2mm WNi28Fe15. Λόγο της διαστολής κατα τη διαδικασία επίστρωσης το μέσο πάχος του τηγμένου στρώματος είναι περίπου 3.5mm. Σε σχέση με τον χάλυβα AISI H13 θερμικές ρωγμές εμφανίζονται μετά απο 1800 θερμικού κύκλους. Ο German έχει δείξει ότι η πορεία απόσχισης του πυροσυσσωματωμένου WNi28Fe15 καταλήγει σε αστοχία πλέγματος με απόσχιση των σωματιδίων W, διαχωρισμό πλέγματος W και επίσης διαχωρισμό ορίων κόκκων μεταξύ W-W. Στην περίπτωση του τεστ θερμικής κόπωσης παρατηρήθηκε οτι η διάδωση των ρωγμών συμβαίνει μόνο μέσω του πλέγματος του επιστρωμένου στρώματος. Δεν παρατηρήθηκε περικρυσταλλική ψαθυρή θραύση των σωματιδίων πλούσιων σε W. Το πλέγμα του επιστρώματος αναλύθηκε με τη χρήση EDXS. Τα κύρια στοιχεία είναι

51.86% wt Fe, 25.59% wt Ni. Η διαλυτότητα του W στο πλέγμα του επιστρώματος είναι 22.55% wt, που προέκυψε μετά απο ανάλυση των σωματιδίων με EDXS. Μικροχημική ανάλυση έδειξε επίσης οτι κατα την συγκόλληση, πλούσια σε W φάση διαλύει 0.94% wt Ni και 0.46% wt Fe. Μικροδομική ανάλυση έδειξε ότι τα σωματίδια του W είναι ομοιόμορφα διεσπαρμένα μέσα στη μικροδομή. Όπως φαίνεται στην εικόνα(7) και (8), στρώματα επενδυμένα με κράμα WNi28Fe15 έχουν μηδενικό πορώδες.

Σκληρότητα

Η σκληρότητα μετρήθηκε στις επιφάνειες εγκάρσιας διατομής αρχίζοντας απο επιφανειακές περιοχές, και καταλήγοντας κοντά στο εσωτερικό κανάλι ψύξης. Τα αποτελέσματα της σκληρομέτρησης παρουσιάζονται γραφικά στην εικόνα (9) όπου το φαινόμενο σκλήρυνσης για τον εν θερμώ κατεργασμένο χάλυβα AISI H13 φαίνεται ξεκάθαρα. Το επιφανειακό στρώμα παρουσίασε χαμηλή σκληρότητα σε βάθος εώς 1mm λόγο της έκθεσης της επιφάνειας σε υψηλή θερμοκρασία. Οι μετρήσιμες τιμές ήταν μεταξύ 230 HV0.5 και 248 HV0.5. Η σκληρότητα σταδικά αυξάνεται με το βάθος εως τα 4mm κάτω απο την επιφάνεια όπου η αρχική σκληρότητα των 528 HV0.5 παρέμεινε.

Για κάθε ένα χιλιοστό επιστρωμένου κράματος WNi28Fe15 διέφερε η επιφανειακή σκληρότητα μεταξύ 310 HV0.5 και 362 HV0.5 εως το βάθος των 2.1mm. Εξαιτίας του φαινομένου της βαφής της διαδικασίας επένδυσης με συγκόλληση , η μέγιστη σκληρότητα των 749 HV0.5 επιτεύχθηκε στην θερμοεπιρεασμένη ζώνη μεταξύ του επιστρώματος και του μετάλλου βάσης. Για πάχος επιστρώματος WNi28Fe15 των 2mm, οι τιμές της σκληρότητας ήταν μεταξύ 312 HV0.5 και 348 HV0.5 εως το βάθος των 3.4mm. Οι τιμές σκληρότητας δεν διέφεραν πολύ σε σύγκριση με το επίστρωμα 1mm. Ο λόγος οφείλεται σε χαμηλή διαστολή μεταξύ του υλικού βάσης και του επιστρώματος, όταν σαν διαδικασία επίστρωσης χρησημοποιείεται GTAW, καταλήγοντας σε χημικά ομογενής επιφάνεια του επιστρώματος.

Η μικροσκληρότητα των μικροδομικών φάσεων στο στρώμα των 2mm του κράματος WNi28Fe15 δείχνονται στην εικόνα (10). Το πλέγμα βάσεως με Ni και Fe είχε σκληρότητα των 278±10 HV0.5. Η σκληρότητα της φάσης πλούσιας σε W ήταν περίπου 100 HV0.5 υψηλότερη σε σύγκριση με τη φάση του πλέγματος του υλικού βάσης, με τιμές 372±24 HV0.5.

Διαστολομετρική δοκιμή του κράματος WNi28Fe15

Για να προσδιορίσουμε τον συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής του κράματος WNi28Fe15, δείγματα για διαστολομετρίας προετοιμάστηκαν σε διαστάσεις Ǿ3x10mm. Για την προετοιμασία των δειγμάτων επιστρώθηκαν πολλά στρώματα συγκόλλησης με τη μέθοδο GTAW πάνω σε χάλυβα SAE EV12 που περιέχει μόνο 1.04% wt Si και Fe ως μέταλλο μήτρας (βάσης). Κόπηκαν

δείγματα με βάση την τυποποιημένη μέθοδο, έτσι ώστε να ληφθούν δείγματα με την ίδια χημική σύσταση με το υλικό πλήρωσης.

Στην εικόνα (11) φάινεται η διαστολομετρική καμπύλη για το κράμα WNi28Fe15. Το αρχι-κό μήκος L0 του δοκιμίου ήταν 10.100μm, με το δL να συμβο-λίζει την μεταβολή του μήκους του δείγματος για ένα εύρος θερμοκρασιών. Μια μέση τιμή του συντελεστή θερμικής διαστολής α, στο θερμοκρασι-ακό εύρος των25-7000C είναι 12.3x10-6Κ-1. Η τιμή αυτή είναι περίπου 7% μικρότερη σε σύγκριση με αυτή για τον χάλυβα AISI H13 στο θερμοκρασιακό εύρος των 20-6000C . Συγκρίνοντας με το αρχικό μήκος, το δείγμα επιμηκύνθηκε κατά 0.497% μέχρι το τέλος της δοκιμής διαστολομετρίας. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής για το W σε θερμοκρασία δωματίου είναι 4.32x10-6K-1 . Εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητας του κράματος WNi28Fe15 σε Ni μέσα στο πλέγμα ο συντελεστής θερμικής διαστολής του κράματος είναι μεγαλύτερος. Το Ni είναι ένα ισχυρό σταθεροποιητικό στοιχείο που συμβάλει σε μια ωστενιτική μικροδομή του κράματος.

Συμπεράσματα

Αυτή η έρευνα παρουσιάζει το επίστρωμα κράματος WNi28Fe15 που έχει ως βάση το W, το οποίο επιστρώθηκε σε χάλυβα AISI H13. Το κράμα επιστρώθηκε χειροκίνητα με τη μέθοδο GTAW, όπου το υλικό πλήρωσης βρίσκεται σε μια μορφή ογκόδους ράβδου συγκόλλησης. Ο στόχος αυτής της έρευνας ήταν να διερευνηθεί η συμπεριφορά του κυλινδρικού δείγματος επιστρωμένου με κράμα WNi28Fe15, ενάντια στα κυκλικά θερμικά φορτία σε σύγκριση με το δοκίμιο που είναι κατασκευασμένο απο κοινό εν θερμώ κατεργασμένο εργαλειοχάλυβα AISI H13. Τα αποτελέσματα της ανάλυση έξειξαν τα παρακάτω.

-Τα επιστρωμένα στρώματα κράματος πάνω στον χάλυβα AISI H13 , είχαν πάχος 1mm και 2mm αντίστοιχα. Τα στρώματα επίστρωσης ήταν ακέραια απο ρωγμές και πορώδες.

-Οι πρώτες ρωγμές για τα δείγματα με επίστρωμα 1mm εμφανίστηκαν μετά απο 1650 θερμικούς κύκλους. Σε σύγκριση με τον χάλυβα AISI H13 η διάρκεια ζωής του δείγματος ήταν 73.7% μεγαλύτερη.

-Οι πρώτες ρωγμές για το δείγμα με επίστρωση 2mm εμφανίστηκαν μετά απο 1800 θερμικούς κύκλους. Σε σύγκριση με τον χάλυβα AISI H13 η διάρκεια ζωής του δείγματος ήταν 89.5% μεγαλύτερη.

-Δεν παρατηρήθηκε οργανωμένο δίκτυο ρωγμών σε κανένα απο τα επιστρωμένα δείγματα με κράμα WNi28Fe15. Μόνο ανεξάρτητες ρωγμές εμφανίστηκαν επιφανειακά.

-Εξαιτίας του φαινομένου της ανάκτησης , η επιφανειακή σκληρότητα μειώθηκε στα 230 HV0.5 για τον εν θερμώ κατεργασμένο εργαλειοχάλυβα AISI H13. Η σκληρότητα της επιφάνειας και των δύο επιστρωμένων δειγμάτων στο τέλος του τεστ θερμικής κόπωσης ήταν μεταξύ 310 και 384 HV0.5.

-Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής προσδιορίστηκε για ένα θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 25 και 7000C και η τιμή ήταν κατα 7% περίπου χαμηλότερη σε σύγκριση με αυτή για τον χάλυβα AISI H13.

Βιβλιογραφία