Opracowanie nowych materiałów aplikowanych na elementy wykorzystywane w liniach przepływu ciekłych metali
mgr inż. Marcin Prochwicz
Streszczenie
Powłoki nanoszone z uwodnionych zawiesin mają na celu ochronę elementów z ceramiki ogniotrwałej narażonych na szoki cieplno-mechaniczne szczególnie silne w czasie początkowego kontaktu z ciekłym metalem na liniach ciągłego odlewania stali (COS). Są one skuteczne w swojej roli, ale ze względu na dużą kruchość są podatne na lokalne wykruszenia już w trakcie transportu i montażu.
W niniejszej pracy skupiono się na analizie wpływu modyfikacji składu powłok z uwodnionej masy ThermacoatTM poprzez zmianę udziału cenosfer oraz wprowadzenie włókien polimerowych BelmixTM, a także włókien ceramicznych SaffilTM. Dodatki wprowadzono w granicach umożliwiających ich rozdyspergowanie w badanej masie aplikowaną na elementy ceramiki poprzez zanurzenie. Następnie, wykorzystując techniki DSC i DTA przeprowadzono pomiary zmiany masy i przepływu ciepła podczas suszenia i wyżarzania materiału wyjściowego i po modyfikacji. Mikrostrukturę wybranych próbek badano za pomocą mikroskopii świetlnej (LM) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), a skład chemiczny za pomocą spektroskopii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Na koniec, aby określić zmiany właściwości mechanicznych materiału, zastosowano metodę trójpunktowego zginania. Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że optymalnym po względem zwiększenia wytrzymałości na zginanie jest ~1% (wag.) dodatek włókien polipropylenowych BelmixTM. Przy ich ukierunkowaniu wywołanym obciekaniem masy z nakładanych powierzchni wzrost ten sięgał nawet ~300 %. Zmiany proporcji cenosfery w tym materiale lub wprowadzenie włókien SaffilTM obniżały płynność materiału, prowadząc do powstawania niejednorodności w osadzanych powłokach i pogorszenia ich właściwości mechanicznych.
Modyfikowanie powłok ThermacoatTM włóknami polipropylenowymi BelmixTM pozwoliło na zmniejszenie ich podatności na wykruszenia, ale spowodowało konieczność oceny ich reakcji na kontakt z ciekłą stalą. W tym celu przeprowadzono testy w skali laboratoryjnej polegające na przygotowaniu tygielka ze zmodyfikowanej włóknami masy ThermacoatTM i wypełnieniu go ciekłą stalą. Następnie przeprowadzono badania mikrostruktury i składu fazowego części przypowierzchniowej tygla. Doświadczenie wykazało, że zmodyfikowana powłoka zachowuje brak zwilżalności w stosunku do stali. W części mającej bezpośredni kontakt ze stalą utworzyła się silnie porowata warstwa wypełniona amorficznymi płatkami AlSiOx z blokowymi cząstkami Al2O3 i SiO2. Tuż pod nią utworzyła się strefa wpływu ciepła (HAZ) składająca się z drobnych płytek-Al2O3 zanurzonych w amorficznej krzemionce SiO2. Część pustek o wielkości odpowiadającej średnicy włókien polimerowych niosła na swoich ściankach znaczny osad węgla.
Przeprowadzone badania wykazały, że powłoki ze zmodyfikowanej włóknami polipropylenowymi masy Thermacoat TM nie tylko wykazują znacząco zwiększone właściwości mechaniczne w stanie po-wysuszeniu w temperaturach otoczenia, ale są również w stanie wytrzymywać przynajmniej krótkotrwały kontakt z ciekłą stalą bez natychmiastowej defragmentacji, czyli zachowują dobre właściwości wysokotemperaturowe materiału niemodyfikowanego.
Abstract
Coatings from water diluted clay and cenosphere mixtures are deposited over ceramic parts exposed to contact with liquid metal during continuous steel casting (CSC). They are intended first of all to diminish thermo-mechanical stresses at the beginning of this process. These coatings are effective in their role, but due to their brittle nature they are subject to frequent local crashing and delamination already during parts transport or mounting.
The present work was focused on analysis of the effect of modification of the ThermacoatTM material by changing the content of cenospheres as well as by introducing up to few % of polymer (BelmixTM) or ceramic (SaffilTM) fibers. These additions were introduced up to the amount allowing for their intermixing with the other constituents and following application on ceramic parts through immersion. Next the DSC and DTA techniques were employed to evaluate the extent of the weight change and heat flow during drying and annealing. The dried materials microstructure was investigated with light (LM) and scanning electron microscopy (SEM), while the chemical composition was studied by energy dispersive spectroscopy (EDS). Finally a three point flexural bending method was used to determine changes in the material mechanical properties. The performed experiments proved that small addition (~1 wt. %) of BelmixTM fibers is sufficient for significant improvement of the ThermacoatTM resistance to crumbling at ambient temperature. Their natural alignment taking place during pulling up from the ThermacoatTM slurry improves resistance to flexural bending by ~300 %. The changes to the ratio of cenosphere in this material or introduction of the comparable SaffilTM was detrimental to material fluidity leading to its non-homogenous distribution and deterioration of mechanical stability.
The admixture of polypropylene fibers into linings helped to alleviate handling problems of such parts, though the response to contact with the liquid steel of such modified material should have been reassessed. It involved preparation of a crucible from ThermacoatTM with addition of BelmixTM fibers and filling it with a drop of liquid steel. Next, the crucible was sectioned and the changes in microstructure and phase composition were assessed with optical, scanning and transmission electron microscopy (OM/SEM/TEM) methods. It showed that the modified lining retains non-wetting performance against the steel of the original material. The part being in direct contact with liquid steel developed a highly porous layer filled with AlSiOx amorphous flakes with some larger blocky Al2O3 and SiO2 particles. Right below it formed a heat affected zone (HAZ) consisting of fine -Al2O3 platelets immersed in the amorphous silica. Some of the voids with a size corresponding to polymer fiber diameter carried at their walls significant carbon deposit.
The performed investigation indicated that the polymer fiber modify ThermacoatTM coatings of significantly improved mechanical properties at ambient temperatures could also withstand at least short term contact with liquid steel without instantaneous defragmentation, i.e. retained good HT properties of the non-modified material.
Recenzja prof. dr. hab. inż. Anna Boczkowska
Wysokowytrzymałe staliwa do odlewania cienkościennych wyrobów o dużej dokładności powierzchni.
mgr inż. Piotr Garbień
Streszczenie:
Rosnące zapotrzebowanie rynku na wyroby ze staliwa o podwyższonych właściwościach mechanicznych, jak również analiza ekonomiki przedsiębiorstwa przyczyniły się do opracowania w ramach doktoratu wdrożeniowego stopu eksperymentalnego o składzie chemicznym zawierającym: 0.85-0.95%C; 1.50 - 1.60%Si; 2.40 - 2.60%Mn; 1.0-1.2%Al; 0.30 - 0.40%Mo; 0.10 - 0.15%V; 1.0-1.1%Ni, Fe - reszta. W pierwszym etapie badań wykonano szereg wytopów próbnych w warunkach przemysłowych staliwa wysokowęglowego będącego przedmiotem rozprawy oraz przeprowadzono różne warianty obróbek cieplnych. Przeprowadzono badania twardości, struktury krystalicznej i mikrostruktury w celu oceny stopnia ujednorodnienia próbek na ich przekroju. Wykorzystując dane termodynamiczne oraz oprogramowanie JMatPro obliczono układ równowagi Fe-Fe3C dla badanego staliwa na podstawie, którego opracowano temperatury obróbki zmiękczającej (650 °C), ujednorodniającej (1100 °C) oraz austenityzacji (950°C). Również na podstawie obliczonego układu równowagi opracowano szereg hartowniczy w zakresie temperatur 670-1030°C. Na podstawie badań dylatometrycznych opracowano parametry przemiany izotermicznej prowadzącej do uzyskania mikrostruktury zbliżonej do nanobainitycznej. Ustalono, że po austenityzacji próbki są szybko chłodzone w wannie hartowniczej w soli o temperaturze 200°C. Po wszystkich powyżej wymienionych obróbkach cieplnych wykonano szczegółowe badania mikrostruktury, struktury krystalicznej i twardości. Badania te pozwoliły na wytypowanie dwóch innowacyjnych obróbek cieplnych, które mogą być wdrożone w firmie Specodlew. Pierwsza polegająca na wyżarzaniu zmiękczającym w temperaturze 650 oC przez 4 godziny, następnie podgrzaniu do 950°C i utrzymywaniu przez 2 godziny oraz szybkim schłodzeniu do temperatury 200 °C i utrzymywaniu przez 2 godziny. Druga polegająca na wyżarzaniu ujednorodniającym w 1100 oC przez 6 godziny, następnie chłodzeniu z piecem do 950 oC i wytrzymaniu przez 2 godziny oraz szybkim chłodzeniu do temperatury 200 oC i wytrzymaniu w przez 2 godziny. Równolegle prowadzono badania w kierunku wdrożenia opracowywanego staliwa. W tym celu odlano w warunkach przemysłowych odlewy, które pracują w trudnych warunkach produkcyjnych, a ich wymiana jest częsta i czasochłonna. Zastosowanie opracowanej technologii pozwoliło znacznie wydłużyć czas eksploatacji pracujących odlewów, a tym samym zmniejszyć koszty związane z przezbrojeniem maszyny\urządzenia. Wdrożenie nowej technologii pozwala na produkcje odlewów, które będą tańsze a zarazem bardziej wytrzymałe na zużycia ścierne, niż obecnie stosowane stopy żelaza z dużą ilością drogich dodatków stopowych. Głównym powodem występowania bardzo dobrej odporności na zużycie ścierne było wytworzenie unikatowej mikrostruktury staliwa, składającej się z płytek martenzytu i austenitu o różnej grubości i udziale objętościowym oraz nanometrycznych węglików przejściowych. Taka mikrostruktura zapewnia zarówno wysoką twardość (węgliki) oraz wytrzymałość i plastyczność odpowiednio na poziomie Rm = 1426 MPa i A =9,5% z powodu zachodzenia procesów TWIP/TRIP podczas odkształcenia ze względu na dużą zawartość austenitu szczątkowego i niską energię błędu ułożenia wynikającą ze składu chemicznego staliwa.
Abstract
Increasing market requirements for cast steel products with improved functional and structural properties, as well as the analysis of the economics of the Specodlew company, were the main motivations for the investigation performed in a frame of the presented PhD thesis while the new cast steel with a chemical composition of 0.85-0.95%C; 1.50 - 1.60%Si; 2.40 - 2.60%Mn; 1.0-1.2 %Al; 0.30 - 0.40%Mo; 0.10 - 0.15%V; 1.0-1.1%Ni, Fe - the rest, have been under examination. In the first stage of the research, sets of cast processes of the steel as well as different heat treatment processes in industrial conditions were performed in order to determine the optimal temperatures and times ensuring optimal microstructure. Simultaneously, the microhardness, crystal structure and microstructure investigations were carried out to examine the degree of homogenization. Using thermodynamic data and JMatPro software, the Fe-Fe3C equilibrium phase diagram was calculated for the investigated steel allowing to determine the temperature of softening annealing (650 °C), homogenizing annealing (1100 °C) and austenitization (950 °C). In addition, based on Fe-Fe3C equilibrium phase diagram, a tempering processes were performed in temperature range of 670-1030°C in order to correlate the austenitization temperature with the best microstructure. Based on dilatometric tests, the parameters of the isothermal transformation were developed allowing to obtain a microstructure similar to nanobainitic. It was established that after austenitization, the samples were fast cooled in a salt bath at a temperature of 200°C. After all heat treatments, detailed examinations of the microstructure, crystalline structure and hardness were performed. This research allowed to select two type of heat treatment technologies that can be implemented at Specodlew company. The first one involves softening annealing at a temperature of 650°C for 4 hours, then heating up to 950°C with maintaining for 2 hours, and then fast cooling down to 200 °C with maintaining for 2 hours. The second one involves homogenizing annealing at 1100 oC for 6 hours, then cooling with furnace down to 950 oC and holding for 2 hours then fast cooling down to 200 oC with maintaining for 2 hours. In parallel, the research concerns the implementation of the investigated cast steel together with the heat treatment into production process of Specodlew company were performed. Thus, to gain the aim, parts of the equipment working in the hard environmental conditions were cast in the industrial condition of Specodlew company. The deployment of the proposed technology allowed for significant extension of the working life of elements and consequently for the reduction of the costs associated with service the machines/devices. The implementation of the new technology allows the production of castings that will be cheaper and at the same time more resistant to abrasive wear than currently used cast steels with a large amount of expensive alloying elements. Moreover the main reason for obtaining of a very good wear resistance, was the formation of unique microstructure of cast steel consisting of martensite and austenite plates of various thicknesses and volume fraction and nanometric transition carbides. This microstructure ensures the existence of high hardness (carbides) strength and plasticity Rm = 1426 MPa and A =9,5% respectively, due to the fact that TWIP/TRIP processes occur during deformation is related with the high content of retained austenite and stacking fault energy resulting from the chemical composition of the investigated cast steel.
Recenzja dr. hab. inż. Zenona Pirowskiego
Nowoczesne stale o strukturze zapewniającej kombinacje wysokich właściwości wytrzymałościowych i plastycznych
mgr inż. Karol Janus
Streszczenie
Niewątpliwe jest, że w celu wytworzenia nanostrukturalnej stali bainitycznej o relatywnie tanim składzie chemicznym, które zalicza się do stali AHSS trzeciej generacji, konieczne jest zastosowanie hartowania izotermicznego w bardzo niskich temperaturach (125 - 350°C). Temperatury te powodują, że czas potrzebny do całkowitej bainityzacji stali wysokowęglowych w temperaturze 200°C sięga nawet 10 dni, co uniemożliwia jej szerokie zastosowanie komercyjne. Dlatego też istotnym staje się zaprojektowanie procesu technologicznego, który pozwoli na skrócenie tego czasu bez konieczności wprowadzania zwiększonej ilości drogich pierwiastków stopowych, jak Ni, Mn czy Cr. Jedną z najbardziej obiecujących metod jest wspomaganie naprężeniem zewnętrznym poniżej granicy plastyczności austenitu pierwotnego przemiany bainitycznej, co przyśpieszy jej kinetykę i w konsekwencji spowoduje zredukowanie całkowitego czasu bainityzacji. Należy jednak zauważyć, że badania nad tego typu technologią jest ograniczona do wpływu naprężenia generowanego w próbie jednoosiowego rozciągania oraz ściskania w skali laboratoryjnej. Dlatego też w pracy skupiono się nad określeniem wpływu naprężenia poniżej granicy plastyczności austenitu wygenerowanego w próbie skręcania w skali laboratoryjnej i przeniesienie tych wyników do skali półprzemysłowej umożliwiając wstępną komercjalizację wysokowęglowych niskostopowych stali nanobainitycznych.
W tym celu zaprojektowano skład chemiczny stali pozwalający na otrzymanie mikrostruktury nanobainitycznej wolnej od wydzieleń węglików oraz obróbkę cieplno- mechaniczną pozwalającą na zredukowanie całkowitego czasu bainityzacji. Aby zrealizować zadanie, zostały wytworzone dwie stale, różniące się od siebie przeprowadzoną obróbką cieplną. Pierwsza z nich (stal nB1), traktowana jako materiał referencyjny, została wytworzona stosując izotermiczną konwencjonalną obróbkę cieplną w temperaturze 280°C przez 72 h. Druga (stal nB2) została wytworzona stosując w pierwszej fazie przemiany bainitycznej, tuż po schłodzeniu stali z temperatury austenityzacji, przez 10 s dodatkowe odkształcenie sprężyste. Odkształcenie to zostało zaprojektowane w próbie skręcania poprzez wyznaczenie granicy plastyczności austenitu pierwotnego. Naprężenie, które zostało zastosowane do przeprowadzenia obróbki cieplno-mechanicznej w skali laboratoryjnej wyniosło 250 MPa. Do oceny wpływu odkształcenia sprężystego na kinetykę przemiany bainitycznej przeprowadzono badania dylatometryczne, szczegółową obserwację mikrostruktury za pomocą skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, jak również badania strukturalne oraz badania tekstury krystalograficznej stosując promieniowanie rentgenowskie, oraz synchrotronowe. Aby określić wpływ wytworzonej w ten sposób mikrostruktury na właściwości mechaniczne, przeprowadzono próbę jednoosiowego rozciągania z prędkością 1 s-1, badania twardości metodą Vickersa oraz badania udarności w przypadku stali nB2 metodą Charpy'ego.
Wyniki badań wykazały, że przeprowadzenie hartowania izotermicznego, w ramach którego przemiana bainityczna wspomagana była odkształceniem sprężystym przez 10 s zaraz po osiągnięciu temperatury 200°C ma bezpośredni wpływ na mikrostrukturę otrzymanej stali. Zastosowanie odkształcenia sprężystego (epsilon=0,03) w pierwszej kolejności wpływa na średnią szerokość nanolistew ferrytu bainitycznego, jak i austenitu szczątkowego, które wynoszą odpowiednio 64 ± 40 nm oraz 34 ± 17 nm i są mniejsze w odniesieniu do stali referencyjnej. Analizując zawartość węgla w austenicie szczątkowym obu wytworzonych stali, stwierdzić można, że zastosowanie zewnętrznego naprężenia przesuwa temperaturę T0' w kierunku niższych zawartości węgla, co spowodowało skrócenie całkowitego czasu bainityzacji. Badania tekstury krystalograficznej w połączeniu z badaniami dylatometrycznymi bezpośrednio wskazują na selekcję wariantów krystalograficznych ferrytu bainitycznego wywołaną dodatkowym naprężeniem poniżej granicy plastyczności. Jest tak dlatego, że w przypadku stali nB2 obserwowany obraz tekstury jest mocny, a zmiana długości podczas badań dylatometrycznych osiąga wartości ujemne w czasie przemiany bainitycznej, co świadczy o kierunkowym układaniu się składników mikrostruktury. Oddziaływanie obróbki cieplno- mechanicznej na strukturę badanego materiału bezpośrednio generuje również jej wysokie właściwości mechaniczne. I tak wspomaganie przemiany bainitycznej odkształceniem sprężystym przyczyniło się do otrzymania nanostrukturalnej stali bainitycznej o wytrzymałości na rozciąganie równej 1862 ± 140 MPa oraz granicy plastyczności na poziomie 1287 ± 90 MPa. Dodatkowo wysoka granica plastyczności oraz wydłużenie równe 11,8 ± 0,7% w stali nB2 związane jest z zaobserwowanym podczas próby jednoosiowego rozciągania efektu TRIP oraz TWIP.
Abstract
It is undeniable that in order to produce nanostructured bainitic steels with relatively low- cost chemical composition, which are classified as third-generation AHSS, it is necessary to use isothermal holding at very low temperatures (125 - 350°C). These temperatures cause the time required to complete the bainitic transformation of high-carbon steels at 200°C to reach up to 10 days, which prevents its wide commercial use. Therefore, it becomes important to design a technological process that will reduce this time without introducing increased amounts of expensive alloying elements, such as Ni, Mn, or Cr. One of the most promising methods is to support external stress below the yield stress of prior austenite for the bainitic transformation, accelerating its kinetics and consequently reducing the total time of bainitic transformation. However, it should be noted that the study of this type of technology is limited to the effect of stress generated in tensile or compressive tests on the laboratory scale. Therefore, this paper focuses on determining the effect of stress below the austenite yield stress generated in a laboratory-scale torsion test and transferring these results to a semi-industrial scale, enabling the initial commercialization of high-carbon, low-alloy nanobainitic steels.
For this purpose, the chemical composition of the steel was designed to obtain a nanobainitic free-carbides microstructure and a thermo-mechanical treatment to reduce the total bainitic transformation time. Two steels were produced to achieve these goals, differing in the heat treatment performed. The first (nB1 steel), taken as a reference material, was produced using isothermal conventional heat treatment at 280°C for 72 h. The second (nB2 steel) was produced by applying additional elastic strain at the beginning of the bainitic transformation, just after the steel cooled from the austenitizing temperature, for 10 s. This strain was designed in a torsion test by determining the yield strength of the parent austenite. The stress applied to carry out the thermo-mechanical treatment was 250 MPa on the laboratory scale. To evaluate the effects of the elastic strain on the kinetics of the bainitic transformation, dilatometric studies, detailed observation of the microstructure by scanning and transmission electron microscopy, as well as structural and crystallographic texture studies were carried out using X-ray and synchrotron radiation. Uniaxial tensile testing at 1 s-1, Vickers hardness tests, and Charpy impact tests in the case of nB2 steel were carried out to determine the effect of the obtaining microstructure on mechanical properties.
The results showed that carrying out isothermal holding, where the bainitic transformation was assisted by elastic strain for 10 s immediately after reaching 200°C, directly affects the microstructure of the obtained steel. Applying the elastic strain (ε=0.03) first affects the average thickness of bainitic ferrite and residual austenite, which are 64 ± 40 nm and 34 ± 17 nm, respectively, and are smaller with respect to the reference steel. Based on the analysis of the carbon concentration of the retained austenite in the case of both produced steels, it can be concluded that the application of external stress shifts the temperature T0' ′towards lower carbon contents, which resulted in a shorter total bainitic transformation time. Crystallographic texture studies combined with dilatometric studies directly indicate the selection of crystallographic variants of bainitic ferrite caused by additional stress below the yield stress. This is because, in the case of nB2 steels, the observed texture is strong, and the change in length during dilatometric testing reaches negative values during the bainitic transformation, indicating a directional arrangement of the microstructure components. The applied thermo-mechanical treatment also immediately affects the obtained microstructure, directly generating its high mechanical properties. Thus, supporting the bainitic transformation with elastic deformation contributed to obtaining nanostructured bainitic steel with a tensile strength of 1862 ± 140 MPa and a yield strength of 1287 ± 90 MPa. In addition, the high yield strength and good elongation equal to 11.8 ± 0.7% in the nB2 steel is related to the TRIP and TWIP effects observed during a uniaxial tensile test.
Recenzja dr. hab. inż. Magdaleny Jabłońskiej
Mikrostruktura i właściwości powłok kompozytowych (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-grafit) natryskanych zimnym gazem i modyfikowanych cieplnie
mgr inż. Anna Trelka-Druzic
Streszczenie
Wytworzenie kompozytowych materiałów powłokowych o danym składzie fazowym oraz unikalnych właściwościach mechanicznych i tribologicznych stwarza metoda natryskiwania zimnym gazem. Pozwala ona na wyeliminowanie niekorzystnych procesów związanych z temperaturą i otaczającą atmosferą występujących w innych metodach natryskiwania cieplnego, np. natryskiwania plazmowego. W procesie natryskiwania zimnym gazem powłoka powstaje w momencie uderzenia cząstek proszku w podłoże oraz ich silnego odkształcenia plastycznego zachodzącego poniżej temperatury topnienia składnika metalowego, umożliwiając wytworzenie powłok o pożądanych właściwościach. Istotne znaczenie mają powłoki kompozytowe zawierające smar stały, które są szczególnie pożądane tam, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność węzła tribologicznego oraz utrudniony jest do niego dostęp. Powłoki natryskane zimnym gazem charakteryzują się składem fazowym identycznym jak materiał proszkowy, znikomą porowatością oraz wysoką kohezją i adhezją.
Wykonane w ramach doktoratu badania umożliwiły zaprojektowanie i wytworzenie kompozytowych powłok (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-grafit) o jednorodnej mikrostrukturze, poprzez optymalny dobór materiałów proszkowych oraz parametrów natryskiwania zimnym gazem. Opracowano i scharakteryzowano powłoki (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-grafit) natryskane zimnym gazem na dwa różne podłoża z proszków zawierających smar w postaci grafitu i modyfikowane cieplnie w celu poprawy ich właściwości mechanicznych oraz tribologicznych. Nowe oryginalne wyniki badań dotyczące mikrostruktury, opisu zjawisk fizycznych zachodzących przy konstytuowaniu się cermetalowych powłok (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-grafit) na granicy powłoka-podłoże, pomiędzy odkształconymi cząstkami proszku tworzącymi powłokę, a także po przetapianiu laserowym i wygrzewaniu stanowią istotny wkład naukowy umożliwiający identyfikację stref potencjalnego osłabienia materiału w reakcji na obciążenia zewnętrzne. Istotnym rezultatem pracy jest określenie wpływu podłoża (stopu Al 7075 oraz stali 1H18N9T) na mikrostrukturę, adhezję oraz właściwości mechaniczne i tribologiczne powłok prowadzących do zwiększenia czasu pracy pokrytych nimi elementów pracujących w warunkach zużycia ściernego. Przedstawiona koncepcja powłok natryskanych zimnym gazem poddanych modyfikacjom cieplnym stwarza nowe możliwości konstytuowania powłok (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-grafit) posiadających zarówno właściwości smaru stałego, jak i wysoką twardość, odporność na zużycie oraz stwarzających możliwość pracy w podwyższonych temperaturach.
Abstract
The production of composite coating materials with a given phase composition and unique mechanical and tribological properties is possible using the cold gas spraying method. It allows to eliminate unfavorable processes related to the temperature and the surrounding atmosphere occurring in other methods of thermal spraying, e.g. plasma spraying. In the cold spraying process, the deposit is constituted when the powder particles hit the substrate, causing their severe plastic deformation occurring below the melting point of the metal component, producing coatings with the desired properties. Composite coatings containing solid lubricant, which are particularly desirable where high reliability of the tribological node is required and where access to it is difficult, are of great importance. Coatings sprayed with cold gas are characterized by a phase composition identical to the powder material, negligible porosity and high cohesion and adhesion.
The research carried out as part of the doctorate enabled the design and production of cermet (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-graphite) coatings with a homogeneous microstructure through the optimal selection of powder materials and parameters of cold gas spraying of coatings. An innovative aspect of the work is the development and analysis of (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-graphite) coatings produced by cold gas spraying from powders containing solid lubricant in the form of graphite and then subjected to thermal modifications, leading to obtaining cermet coatings with high mechanical and tribological properties. New original research results concerning the microstructure, description of physical phenomena occurring during the formation of cermet (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-graphite) coatings at the coating-substrate interface, between the deformed powder particles forming the coating, as well as after laser surface treatment and annealing are an important scientific contribution to identify zones of potential material weakness in response to external loads. A significant result of the work is the determination of the influence of the substrate on the microstructure, adhesion and mechanical and tribological properties of the coatings, which increase the service life of the elements made of Al 7075 alloy and 1H18N9T steel covered with them, working in conditions of abrasive wear. The presented concept of coatings sprayed with cold gas subjected to thermal modifications creates new possibilities for constituting coatings (Cr3C2-Ni20Cr)-(Ni-graphite) having both the properties of a solid lubricant and high hardness, and wear resistance and making it possible to work at elevated temperatures.
Recenzja dr. hab. inż. Marcina Adamiaka
Charakterystyka spoin lutowniczych w montażu komponentów elektronicznych dużej mocy uzyskanych z wykorzystaniem nowych stopów bezołowiowych
mgr inż. Maciej Sobolewski
Streszczenie
Wprowadzone do przemysłu europejskiego na początku XXI w. wymagania prawne dotyczące redukcji zastosowania substancji niebezpiecznych, wymusiły zastosowanie w montażu urządzeń elektronicznych lutowniczych stopów bezołowiowych. Zaproponowane początkowo lutowia, wykonane przede wszystkim na bazie cyny, srebra, miedzi (SAC), w niektórych rozwiązaniach okazały się pod wieloma względami gorsze, od wcześniej stosowanego stopu cyny, ołowiu. Z tego względu producenci materiałów lutowniczych zaproponowali dla przemysłu elektronicznego stopy nowej III generacji o ulepszonych właściwościach.
W rozprawie opisano badania zmierzające do opisania właściwości nowych stopów lutowniczych oraz stworzenia rekomendacji do wdrożenia produkcyjnego, przy minimalizacji ryzyka biznesowego. Badania przeprowadzono dla wybranych nowych, ale dotychczas niezweryfikowanych w praktyce produkcyjnej, bezołowiowych stopów dostępnych na rynku: REL61, REL22, SB6NX58, HRL-1 oraz LMPA-Q odnosząc się do rezultatów uzyskanych w takich samych warunkach eksperymentalnych dla stopów odniesienia, tj. SAC305 oraz Sn36Pb2Ag. W części badawczej rozprawy doktorskiej określono skład chemiczny badanych lutowi stosując trzy metody dla weryfikacji uzyskanych wyników: optycznej spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem iskrowym, fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją energii oraz skaningowej mikroskopii elektronowej z dyspersją energii promieniowania rentgenowskiego. Dokonano również charakterystyki mikrostrukturalnej badanych stopów w zależności od ich składu. Metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej wyznaczono zakresy temperatur topnienia, krystalizacji lutowi dokonując wstępnej selekcji wybranych stopów, odrzucając te które mogą generować wyższe ryzyko wdrożeniowe. Następnie stosując ulepszoną metodę leżącej kropli wykonano pomiary zwilżalności wybranych lutowi na podłożu miedzianym. Kroplę spoiwa przeciśnięto dla oczyszczenia przez grafitową kapilarę w warunkach wysokiej próżni przy jednoczesnym równomiernym ogrzewaniu kapilary, podłoża do zadanej temperatury eksperymentu. Zmierzono czas rozpływu na podłożu oraz kąt zwilżania między lutowiem, miedzianym podłożem.
Wykazano, że dla wszystkich badanych materiałów wyznaczone kąty zwilżania przyjmują akceptowalne z punktu widzenia technologicznego wartości. Metodą skaningowej mikroskopii elektronowej określono morfologię, mikrostrukturę, skład chemiczny powierzchni kropli oraz przekroju poprzecznego strefy reakcji. W modelowym eksperymencie przeprowadzono pomiary przewodności cieplnej spoiny lutowniczej wytworzonej pomiędzy miedzianymi powierzchniami, wykluczając wpływ ilości, rozmieszczenia wad, pu-stek oraz rodzaju zastosowanego spoiwa na zmierzone wartości. W głównej części badawczej pracy wykonano kompleksową charakterystykę mikrostrukturalną spoin wraz określeniem składu chemicznego pro-duktów reakcji podłoże/lutowie oraz identyfikacją faz z zastosowaniem skaningowej oraz transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Próbki wybranego komponentu elektronicznego dużej mocy przygotowano z wykorzystaniem nowych lutowi III generacji: REL61, REL22 oraz HRL-1 oraz stopów odniesienia, SAC305, Sn36Pb2Ag. Połączenia wykonano w oparciu o projekt elektronicznego sterownika dużej mocy produkowanego w zakładzie Fideltronik. Montaż, lutowanie urządzenia dokonano w warunkach przemysłowych z wykorzystaniem 2 rodzajów obwodów drukowanych, różniących się pokryciem ochronnym, OSP, ENIG. Uzyskane próbki podzielono na 3 grupy: referencyjną (uzyskaną zaraz po procesie lutowania), poddaną starzeniu izotermicznemu oraz cyklom temperaturowym. Uzyskane wyniki pozwoliły na wskazanie miejsca występowania uszkodzeń spoin wykonanych z użyciem badanych lutowi. Na tej podstawie sformułowano rekomendacje dla wybranych stopów lutowniczych, a następnie rozpoczęto proces ich wdrażania do praktyki produkcyjnej grupy Fideltronik.
Abstract
Regulatory requirements for the reduction of the use of hazardous substances, implemented in European industry at the beginning of the 21st century, necessitated the use of lead-free solders in the assembly of electronic devices. The initially proposed solders, with composition based on tin, silver and copper, marked as SAC, proved to be inferior in some respects to the previously used tin-lead alloy. For this reason, manufacturers of soldering materials have proposed new 3rd generation alloys with improved properties for the electronics industry. The dissertation describes research aimed at describing the properties of a new solder alloys and making recommendations for production implementation, while minimizing business risks. The research was conducted for selected new, but so far unverified in production practice, lead-free alloys available on the market: REL61, REL22, SB6NX58, HRL-1 and LMPA-Q referring to the results obtained under the same experimental conditions for reference alloys, such as SAC305 and Sn36Pb2Ag. In the experi-mental part of the dissertation, the chemical composition of the investigated solders was determined using three methods to verify the results obtained: optical emission spectrometry with spark excitation, energy dispersive X-ray fluorescence and energy dispersive X-ray scanning electron microscopy. The microstructural characterization of the alloys depending on their composition was also carried out. The melting and crystallization temperature ranges of the alloys were determined using differential scanning calorimetry, and a preliminary selection of selected alloys was made, rejecting those which might generate higher im-plementation risks. Then, using the improved lying drop method, the wettability of the selected solders on the copper substrate was measured. A drop of the solder was squeezed for cleaning through a graphite capillary under high vacuum while heating the capillary and substrate equally to the set experimental tem-perature. The spread time of melted alloy on the substrate and the wetting angle between the drop and the copper substrate were measured. It was shown that for all the tested materials, the determined wetting angles assumed acceptable values from a technological point of view. The morphology, microstructure and phase composition of the drop surface and the reaction zone cross-section were determined using scanning electron microscopy. Moreover, in a model experiment, the thermal conductivity of the solder joint formed between copper surfaces was measured, showing no influence of the number and distribution of defects and voids and the type of solder used on the measured values. In the main research part of the study, a compre-hensive microstructural characterization of the welds was carried out, together with determination of the chemical composition of the substrate/solder reaction products and phase identification using scanning and transmission electron microscopy. Samples of a selected high-power electronic component were prepared using new third-generation solders: REL61, REL22 and HRL-1 and reference alloys, SAC305 and Sn36Pb2Ag. The samples were made based on the design of a high-power electronic controller manufac-tured at Fideltronik.
The assembly and soldering of the device was done under industrial conditions using 2 types of printed circuit boards, differing in protective coating, OSP and ENIG. The obtained samples were divided into 3 groups: reference (obtained after the soldering process), isothermally aged and temperature cycled.
As a result of the analysis, the locations of defects in soldered joints made with the studied solders were identified. Based on this, recommendations were formulated for selected new solder alloys, and the process of their implementation into the production practice of the Fideltronik group was initiated.
Recenzja: prof. dr hab. inż. Haliny Garbacz
Więcej artykułów…
Strona 1 z 12
<< Początek < Poprzednia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Następna > Ostatnie >>