Κραματωμένες επικαλύψεις με τη τεχνική μεταφερόμενου τόξου πλάσματος

Abstract

Basic aim of the present doctorate thesis is the production of alloyed coatings on the surface of different types of steel, using the plasma - transferred arc (PTA) welding technique. In particular, while trying to nitride these coatings, we found the best welding parameters for the PTA technique. Additionally, the already nitrided coatings were reinforced with hard TiB2 particles, so as to increase both their anti-friction and anti-corrosive behavior. Firstly, the production of four different coatings on the surface of carbon steel is achieved by using TiB2 and B powder. According to the microstructure study, the coatings’ microstructure consists of proeutectic titanium borides, which are uniformly spread all over the eutectic matrix of ferrite and eutectic borides. The addition of boron to the coating leads to increased hardness, due to the simultaneous existence of FeB and TiB2. Finally, by using a pin-on-disk apparatus with a ball of tool steel or Al2O3 revealed that the %wt of free B in the coatings affected their tribological behaviour. Especially, an increase of B led to a decrease of the wear rate. Next, following the microstructure study of the Fe - Cr - N coatings, their anti-corrosive properties are described and studied extensively. The basic aim was to be found if it was possible for a carbon steel to absorb nitrogen, since it is known that the solubility of nitrogen in this type of steel is very low. The experiments showed that an increase of the %wt of chromium on the surface of a carbon steel led to an easier and smoother absorption of the nitrogen contained in the shielding gas. The percentage of austenite increased proportionally with the increase in chromium and nitrogen percentage. The existence of chromium nitrides or sigma - phase deteriorated the anti-corrosive behavior of the produced coatings, since chromium did not spread uniformly through the whole matrix. In a next step, the production of coatings with 100% austenitic microstructure and with low nickel content is described. Especially, the nitrogen of the shielding gas substituted the nickel in the crystal lattice. The examination of these coatings using X - Ray Diffraction technique proved that their microstructure was indeed 100% austenitic. Moreover, the nitrides existed only in the coatings with the highest chromium content and with other alloying elements (Mn, Mo). Once again, the produced nitrides and sigma - phase deteriorated the anti-corrosive behaviour of the produced coatings. Moreover, the production of a coating with super-austenitic microstructure on the surface of an austenitic stainless steel AISI 316L is thoroughly studied. The chemical composition of this coating was the following: 24% Cr, 18% Ni, 5% Mo and 0,4% N (the rest was the %wt Fe). The electrochemical and chemical corrosion experiments proved that this coating has a better anti-corrosive behavior compared to that of the AISI 316L substrate and slightly worse comparing to that of a super-austenitic material used as reference. In the final Chapter, there is a description of the production of a coating using pure TiB2 powder and nitrogen from the shielding gas, in order to study its microstructure and its anti-corrosive behaviour. As it is widely known, the existence of titanium nitrides or carbonitrides in a metal matrix leads to increased anti-corrosive and anti-friction behaviour. Following this study, there is a comparison between the produced coating and the coating with pure TiB2, regarding their anti-corrosive and anti-friction behaviour.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παράγονται κραματωμένες επικαλύψεις στην επιφάνεια χαλύβων με την τεχνική μεταφερόμενου τόξου πλάσματος. Κύριος στόχος των συγκεκριμένων επικαλύψεων είναι καταρχήν η επίτευξη εναζώτωσης των επιστρωμάτων με τη συγκεκριμένη τεχνική και στη συνέχεια, η ενίσχυση των εναζωτωμένων επιστρωμάτων με σκληρά σωματίδια διβοριδίου του τιτανίου (TiB2), με στόχο την ταυτόχρονη βελτιωμένη αντιτριβική και αντιδιαβρωτική συμπεριφορά των παραγόμενων υλικών. Αρχικά λοιπόν, παράγονται τέσσερα επιστρώματα στην επιφάνεια ενός κοινού χάλυβα με χρήση κόνεων TiB2 και B στα πλαίσια του τριμερούς συστήματος Fe-Ti-B. Από τη μελέτη της μικροδομής προκύπτει ότι η προσθήκη βορίου στο επίστρωμα οδηγεί σε αυξημένη σκληρότητα, λόγω της ταυτόχρονης παρουσίας σκληρών βοριδίων του σιδήρου, Fe2B, και του τιτανίου, TiB2, ενώ με τη βοήθεια πειραμάτων pin-on-disk, αποδεικνύεται ότι το ποσοστό ελεύθερου βορίου επηρεάζει την τριβολογική συμπεριφορά των επιστρωμάτων. Στη συνέχεια, μελετάται η μικροδομή και εξετάζονται οι αντιδιαβρωτικές ιδιότητες επιστρωμάτων του συστήματος Fe-Cr-N, με κύριο στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας απορρόφησης αζώτου από τον κοινό χάλυβα, δεδομένης της μικρής διαλυτότητας του N στο χάλυβα. Προκύπτει ότι αύξηση του ποσοστού χρωμίου στην επιφάνεια του χάλυβα οδηγεί σε ευκολότερη και πιο ομαλή απορρόφηση αζώτου. Η μικροδομή από πλήρως φερριτική μετατρέπεται σε διφασική, με τη παρουσία του ωστενίτη να επικρατεί όσο το ποσοστό χρωμίου και συνεπώς και του αζώτου αυξάνεται. Η ύπαρξη νιτριδίων του χρωμίου ή φάσης σ φαίνεται ότι επιδεινώνει την αντοχή σε διάβρωση των παραγόμενων επιστρωμάτων, καθώς το χρώμιο δεν κατανέμεται ομοιόμορφα κατά μήκος όλου του επιστρώματος. Ακολουθεί η παραγωγή επιστρωμάτων πλήρους ωστενιτικής δομής με χαμηλό νικέλιο, με το άζωτο να δρα ως στοιχείο αντικατάστασης του νικελίου. Η περίθλαση ακτίνων Χ επιβεβαιώνει την ύπαρξη πλήρους ωστενιτικής δομής, με την παρουσία νιτριδίων στο επίστρωμα με το υψηλότερο ποσοστό σε χρώμιο και σε άλλα κραματικά (Mn, Mo). Επιπλέον, παράγεται επίστρωμα υπερωστενιτικής σύστασης και δομής στην επιφάνεια ενός ανοξείδωτου ωστενιτικού χάλυβα τύπου AISI 316L. Η σύσταση του επιστρώματος είναι σχετικά ομοιογενής και οι %κ.β. συστάσεις των στοιχείων Cr, Ni, Mo και N φτάνουν αντίστοιχα στο 24, 18, 5 και 0,4, ποσοστά που απαντώνται μόνο στις κατηγορίες υπερωστενιτικών χαλύβων. Τα πειράματα ηλεκτροχημικής και χημικής διάβρωσης σε διαφορετικά διαλύματα αποδεικνύουν τη βελτιωμένη αντιδιαβρωτική συμπεριφορά του επιστρώματος σε σχέση με τον ωστενιτικό χάλυβα υποστρώματος 316L. Στο τελευταίο Κεφάλαιο επιτυγχάνεται η παραγωγή ενός επιστρώματος με καθαρή σκόνη TiB2 και προσθήκη αζώτου μέσω των αερίων συγκόλλησης, έτσι ώστε να μελετηθεί η μικροδομή και οι αντιτριβικές ιδιότητες του νέου επιστρώματος με κόκκους TiB2 και παρουσία Ν. Στόχος είναι η παραγωγή νιτριδίων ή καρβονιτριδίων του τιτανίου, που φημίζονται για τις καλές αντιτριβικές και αντιδιαβρωτικές τους ιδιότητες. Στο ίδιο Κεφάλαιο, την ολοκλήρωση της μελέτης για το επίστρωμα με κόκκους TiB2 και την ταυτόχρονη εισαγωγή αζώτου ακολουθεί συγκριτική μελέτη του ίδιου επιστρώματος με το επίστρωμα με καθαρό TiB2 Τα δύο επιστρώματα ερευνώνται συγκριτικά σε σχέση με τις αντιτριβικές και αντιδιαβρωτικές τους ιδιότητες.