Surface modification of stellite hardfacings by post surface melting processes

Abstract

Wear, the process of material removal from the surface by means of mechanical, thermal, or chemical action, causes a complete failure of various components in different industries. A key method of reducing the wear loss in lubrication starved applications is the use of materials with enhanced surface properties. This can be obtained by either selection of an appropriate bulk material, which is economically infeasible, or application of a suitable surfacing treatment to the surfaces subjected to wear conditions. In this respect, depositing of hardfacing material has come as a promising technical solution to obtain improved surface properties and protect different metallic substrates against wear attack with no chang in the properties of the bulk material. Owing to their poor machinability, these alloys are generally employed in the form of coating by using the conventional welding processes. Stellite hardfacing is a group of cobalt-based alloys designed as protective coatings on components subjected to harsh service conditions at elevated temperatures. With specific carbon content and carbide promoters like Cr, W and Mo, Stellite hardfacings exhibit microstructures composed of high fraction of hard carbides such as Cr-rich eutectic carbides (in the form of M7C3 and M23C6) and W/Mo-containing complex carbides (in the form of M6C) dispersed in a solid solution strengthened Co-matrix. Although they exhibited superior tribological properties at room temperature (RT), higher ambient temperatures and/or heavy loads are still serious problems affecting the lifetime of Stellite coatings. Therefore, intensive researching efforts have been devoted to overcoming these shortcomings. One well-investigated approach to improve the properties of these materials is alloying of Stellite hardfacings with carbide promoters like Mo during the depositing process which enhance the surface properties by the virtue of enriching the microstructure with excessive amounts of complex carbides. Even though modifying the chemical composition of Stellite alloys can enhance the hardness and wear resistance via mainly increasing the carbides fraction but it is not always feasible especially with higher alloying rate. Therefore, application of a post surface melting treatment by high-energy beams (i.e. electron beam and laser beam) has been envisaged as an alternative strategy for further improving the surface properties of deposted hardfacings as it can modify the microstructure of the melted zone due to associated rapid cooling characteristics. By alloying with 10% Mo, alone or in combination with a post surface melting treatment; namely electron beam surface melting (EBSM) and laser surface melting (LSM), this dissertation work has been created, aiming to extend the understanding of the positive effects of Mo alloying and post EBSM/LSM treatments on both microstructure and dry sliding wear characteristics of Stellite hardfacings. Since the mechanical related surface propertiessurface, hardness and wear resistance, of the Stellite hardfacings are mainly chemical composition dependent, two commercial Stellite alloys were selected in this work, having different contents of alloying elements; Stellite 12 (30 wt.% Cr, 8.5 wt.% W and 1.45 wt.% C) and Stellite 6 (28.5 wt.% Cr, 4.6 wt.% W and 1.2 wt.% C). The plasma transferred arc (PTA) technique was selected to lay down a single layer of the coating material on AISI 4140 steel substrate. The high deposition rate along with the characteristic low heat input, excellent arc stability and the high flexibility in achieving the desired composition of the material to be deposited were the reasons for choosing the PTA depositing process. The surfaces of PTA deposited hardfacings were then exposed to a single pass of an electron/laser beam for surface melting. The microstructural features of the unalloyed and Mo-alloyed PTA Stellite 6 hardfacings and their EBSM'ed/LSM'ed versions were examined by X-ray diffractometer (XRD) and scanning electron microscope (SEM) in secondary electron (SE) mode as well as Energy dispersive X-ray spectrometer EDX equipped SEM in back scattered electron BSE mode. For sliding wear tests, two configurations were conducted; ball-on-flat (reciprocating) and ball-on-disc. The wear loss and wear mechanism were evaluated by scanning the wear tracks (WT) with a 2D contact type profilometer and SEM, respectively. In the first phase, a Stellite 12 hardfacing alloy deposited by PTA technique and subjected to a post treatment of EBSM. The microstructure and RT dry sliding wear resistance of EBSM'ed Stellite 12 hardfacing have been evaluated and compared with those of PTA Stellite 12 hardfacing. The microscopic examinations showed an extensive refinement in the microstructure of the EBSM'ed Stellite 12 hardfacing, resulting in about 15% increment in surface hardness as compared to PTA state. In spite of the increase in its surface hardness, EBSM'ed Stellite 12 hardfacing showed lower wear resistance (in about 50 %) as compared with PTA version. According to the SEM examinations of the worn surfaces, the detoriorated wear resistance of EBSM'ed Stellite 12 hardfacing has been associated with the extensive refinement of the carbides which made their removal from the matrix much easier during the sliding contact. In the second phase, a post treatment of EBSM has been applied to PTA deposited Stellite 6 hardfacing and its 10 wt.% Mo-alloyed version. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, the microstructural changes and RT sliding wear properties of PTA Mo-alloyed Stellite 6, EBSM'ed Stellite 6 and EBSM'ed Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings were evaluated and compared. While Mo addition improved the hardness and wear resistance of PTA Stellite 6 hardfacing due to the formation of high fraction of carbides, its combination with the post treatment of EBSM in one approach further increased the hardness and wear resistance by encouraging hypereutectic solidification, forming a 3D network of carbides surrounding the refiened Co-matrix. However, application of EBSM on Stellite 6 hardfacing resulted in a considerable decrease in wear resistance as compared to the PTA Stellite 6 hardfacing, which can be attributed to easier removal of the finer carbides from the Co-matrix. In the final phase, a post treatment of LSM was employed on Stellite 6 and 10 wt.% Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings deposited by PTA process. Microstructures and sliding wear performance at RT and high temperature (HT) of LSM'ed unalloyed and Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings were evaluated and compared with those of commercial PTA Stellite 6 hardfacing. The LSM process refined the microstructures of both hardfacings, while favoring a network-like complex carbide dominated microstructure in the Mo-alloyed version. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, LSM process led to an increment in surface hardness albeit a subsequent reduction of wear loss at RT, where abrasive wear mechanism was dominant. At 500 °C, oxidative wear contributed to the progress of wear by favoring CoO and Co3O4 type tribo-oxides on the contact surfaces of the PTA and LSM'ed hardfacings, respectively. However, Co3O4 type tribo-oxides exhibited poor mechanical stability, than CoO, which led to easier removal from the contact surface and aggravated the wear loss by abrasive wear mechanism. In this respect, LSM'ed hardfacings exhibited higher wear loss than PTA Stellite 6 hardfacing at 500 °C, while the opposite was witnessed in wear tests conducted at RT. In brief, the results of microstructural examinations showed that PTA deposited Stellite 6 and Stellite 12 hardfacings consisted of three phases; Co-matrix, Cr-rich and W-rich carbides. Upon 10 wt.% Mo addition into PTA deposited Stellite 6 hardfacing, a considerable increament in the volume fraction and size of complex carbides is resulted, leading to enhanced surface hardness and wear resistance. The application of post surface treatment led to a severe microstructural refinement favouring a three-phase microstructures for unalloyed Stellite versions, like PTA deposits, while two-phase microstructure (cellular Co-matrix and complex carbides in network morphology) for the Mo-alloyed version. Regarding the post EBSM treatment, its application solely on PTA deposited unalloyed Stelllite 12 and Stellite 6 hardfacings enhanced the surface hardness while aggravated the wear loss due to the easier removal of the refined carbides from the matrix. Contrarily, minimum wear loss was obtained from Mo-alloyed EBSM'ed Stellite 6 hardfacings where the network-like complex carbides assisted in hindering the plastic deformation of the Co-matrix. This indicates that the size, volume fraction and morphology of the carbides become particularly important when wear resistance is governed by the surface hardness. The LSM process showed contradictory results for Stellite 6 hardfacings in terms of RT and HT wear resistance. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, LSM process led to an increment in surface hardness albeit a subsequent reduction of wear loss at RT, where abrasive wear mechanism was dominant. At HT (500 °C), oxidative wear contributed to the progress of wear by favoring tribo-oxides on the contact surfaces of the PTA and LSM'ed hardfacings. While the tribo-oxides formed on the contact surface of LSM'ed specimens were nonprotective and thier subsequent removal accelerated the wear loss of the thermally softened matrix by abrasive wear mechanism, those formed on the contact surfaces of PTA deposited hardfacing were found to be thicker and adherent; thus provided better protection againt wear.

Mekanik, termal veya kimyasal etkenler nedeniyle yüzeylerde meydana gelen malzeme kaybı olarak tanımlanabilen aşınma, birçok endüstriyel uygulamada parçaların tamamen arızalanmasına neden olur. Yağlamayla ilgili problemlerin olduğu uygulamalarda, aşınma kaybını azaltmanın en etkin yöntemi gelişmiş yüzey özelliklerine sahip malzemelerin kullanılmasıdır. Buna göre istenen aşınma direnci, ya ekonomik olmayan bir çözüm olarak parçanın tüm malzemesinin aşınmaya dirençli olan bir malzemeden seçilmesiyle ya da malzemenin sadece aşınma koşullarına maruz kalan yüzeylerine uygun bir yüzey işleminin uygulanmasıyla elde edilebilir. Bu anlamda, farklı metalik bileşenlerin yığınsal özelliklerini değiştirmeden malzemelerin yüzey özelliklerini iyileştirmek ve aşındırıcı koşullara maruz kalan yüzeyleri korumak amacıyla yüzeylerin sert dolgu kaplama malzemesi ile kaplanması umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Zayıf işlenebilirlikleri nedeniyle, bu alaşımlar genellikle oksiasetilen gaz kaynağı (OAW), gaz metal ark kaynağı (GMAW), korumalı metal ark kaynağı (SMAW) ve plazma transferli ark (PTA) gibi geleneksel kaynak işlemleri ile kaplama şeklinde kullanılır. Stellite sert kaplamalar yüksek sıcaklıklardaki ağır kullanım koşullarına maruz kalan bileşenler üzerine uygulanan koruyucu kaplama olarak tasarlanmış kobalt bazlı bir alaşım grubudur. Belirli bir karbon ve Cr, W ve Mo gibi karbür yapıcı element içeren Stelite sert kaplamalar, yapılarında yüksek oranlarda bulunan M7C3 ve M23C6 formundaki Cr içeriği zengin karbürler ve katı çözelti ile sertleştirilmiş Co matris içinde disperse olmuş W / Mo içeren M6C formundaki kompleks karbürler gibi son derece sert karbürlerden oluşan mikro yapılar sergilerler. Oda sıcaklığında (RT) üstün tribolojik özellikler sergilemelerine rağmen, daha yüksek ortam sıcaklıkları ve / veya ağır yükler Stellite kaplamaların ömrünü etkileyen ciddi problemlerdir. Bu nedenle, bu eksikliklerin üstesinden gelmek için yoğun araştırma çalışmaları yapılmıştır. Mikroyapıyı yüksek miktarda kompleks karbürlerle zenginleştirerek sertliği ve aşınma direncini artırmak amacıyla Stellite sert yüzey kaplamaların Mo gibi karbür yapıcılarla alaşımlanması bu malzemelerin özelliklerini iyileştirmek amacıyla oldukça yoğun olarak araştırılmış bir yöntemdir. Stellite alaşımlarının kimyasal bileşimi değiştirerek mikroyapıda oluşan karbür miktarını arttırmak sertliği ve aşınma direncini artırılabilir, ancak özellikle daha yüksek alaşım oranlarında bu her zaman mümkün olmamaktadır. Malzeme bileşimindeki yapılan çok fazla değişiklik Stellite sert kaplamaların katılaşma davranışını değiştirerek katılaşma sırasında kaplamada çatlamalara neden olmaktadır. Bu nedenle uygulanan kaplama işlemi sonrasında, yüksek enerjili ışınlarla (elektron ışını ve lazer ışını gibi) bir yüzey ergitme işleminin uygulanması, ergimiş bölgenin hızlı soğuma davranışı ile ilişkili olarak mikroyapısının değiştirebilmesi nedeniyle, kaplanmış sert yüzeylerin yüzey özelliklerinin daha ileri seviyede iyileştirilmesi alternatif bir strateji olarak düşünülmüştür. Bu tez, Plazma Transferli ark (PTA) ile kaplanmış Stellite 12 ve Stellite 6 sert yüzey kaplamaların %10 Mo ile alaşımlandırılması ve PTA işlemi sonrasında Elektron Işını ile Yüzey Ergitmesi (EBSM) ve Lazer Yüzey Ergitmesi (LSM) olarak adlandırılan ilave yüzey ergitme işlemlerinin, malzemenin aşınma davranışı üzerindeki olumlu etkilerinin araştırılmasını ve bu konudaki bilgilerin geliştirilmesini amaçlamaktadır. Stellite sert kaplama yüzeylerin sertlik ve aşınma direnci gibi mekanik özellikleri esas olarak kimyasal bileşime oldukça bağlı olduğundan bu çalışmada iki farklı alaşım içeriğine sahip ticari Stellite alaşımları seçilmiştir, bunlar; ağırlıkça 1.45% C, 30% Cr ve 8.5% W içeren Stellite 12 ve ağırlıkça 1.2% C, 28.5% Cr ve 4.6% W içeren Stellite 6 alaşımlarıdır. Çalışmada AISI 4140 çelik altlık üzerine yapılan sert dolgu kaplamanın tek bir tabaka olarak uygulanabilmesi için uygun teknik olarak plazma transfer ark (PTA) tekniği seçilmiştir. PTA kaplama yöntemi ayrıca, karakteristik yüksek kaplama oranı, düşük ısı girdisi, mükemmel ark kararlılığı ve en önemlisi sert dolgu kaplama malzemenin istenen bileşimini elde etmede yüksek esneklik sağlaması gibi birçok avantaja sahiptir. PTA tekniği ile kaplanan sert dolgu kaplamaların yüzeyleri kaplama işleminin ardından tek geçişli elektron ve lazer ışınına maruz bırakılarak işlem sonrası yüzey ergitme işlemi uygulanmıştır. PTA ile kaplanmış alaşımsız ve Mo alaşımlı Stellite 6 sert dolgu yüzeylerin ve bunların EBSM ve LSM yüzey işlemi uygulanmış versiyonlarının mikroyapısal özellikleri, X-ışını difraktometresi (XRD), X-ışını enerji dağılım spektrometresi (EDX) donanımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile geri saçılmış elektron BSE modu ve ikincil elektron (SE) modlarında incelenmiştir. Kaymalı aşınma testlerinde iki farklı test yöntemi olan (reciprocating-ileri geri) "ball-on-flat" ve "ball-on-disc" testleri uygulanmıştır. Testler sonucunda elde edilen aşınma kaybı ve aşınma mekanizması, aşınma izlerinin (WT) iki boyutlu (2D) temaslı tip yüzey profilometresi ile taranması ve yapılan SEM çalışmaları ile değerlendirilmiştir. İlk aşamada, PTA ile kaplanmış Stellite 12 sert kaplama yapılmış ve ardından işlem sonrası EBSM işlemine tabi tutulmuştur. EBSM uygulanan Stellite 12 sert kaplamanın mikroyapısı belirlenerek oda sıcaklığında kuru kayma aşınma direnci belirlenmiş ve başlangıç PTA Stellite 12 sert kaplamada elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Mikroskobik incelemelerle EBSM uygulanan Stellite 12 sert kaplamanın mikro yapısında büyük oranda tane küçülmesinin meydana geldiği ve PTA kaplamaya kıyasla sertlik değerinde yaklaşık %15 artışa yol açtığı belirlenmiştir. Yüzey sertliğindeki artışa rağmen EBSM uygulanan sert kaplama, kayma aşınma testinde alümina bilye aşındırıcıya karşı kuru PTA sert kaplamaya göre yaklaşık %50 daha düşük aşınma direnci göstermiştir. Testler sonra aşınmış yüzeyler üzerinde yapılan yüzey incelemesi çalışmalarında, EBSM işleminden sonra Stellite 12'nin aşınma direncinde meydana gelen azalmanın, EBSM uygulamasıyla karbürlerde meydana gelen yüksek oranda tane küçülmesine bağlı olarak kayma teması sırasında matristen ayrılmaları daha kolay hale getirmesi ile ilişkili olduğu anlaşılmıştır. İkinci aşamada, PTA işlemi sonrasında EBSM uygulaması PTA yöntemi ile kaplanmış Stellite 6 sert kaplamaya ve bunun ağırlıkça%10 Mo ile alaşımlı versiyonuna uygulanmıştır. PTA işlemi ile kaplanmış ve Mo-alaşımlı Stellite 6, işlem sonrası EBSM uygulanmış Stellite 6 ve işlem sonrası EBSM uygulanmış Mo-alaşımlı Stellite 6 sert yüzey kaplamalarında meydana gelen mikroyapısal değişiklikler ve oda sıcaklığında uygulanan kaymalı aşınma testi sonuçları, PTA işlemi ile kaplanmış Stellite 6 sert kaplamaya ait sonuçlarla karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Mo ilavesi, mikroyapıyı kompleks karbürler (M6C) ile zenginleştirerek PTA Stellite 6 sert kaplamanın sertlik ve aşınma direnci gibi yüzeyle ilgili özelliklerini iyileştirirken, Mo ile alaşımlamanın işlem sonrası uygulanan EBSM işlemiyle birleştirilmesi, ötektik üstü katılaşmayı teşvik etmekte ve inceltilmiş Co matrisi saran bir karbür ağı oluşturarak sertlikte ve aşınma direncinde daha fazla artışa neden olmaktadır. Bununla birlikte, Stellite 6 sert kaplama üzerine uygulanan işlem sonrası EBSM ile elde edilen sert kaplama PTA uygulaması ile kaplanmış Stellite 6 sert kaplama ile karşılaştırıldığında, tane boyutu incelmiş karbürlerin Co-matristen daha kolay ayrılmasına dayandırılabilecek aşınma direncinde önemli bir düşüşe neden olduğu belirlenmiştir. Yapılan çalışmaların son aşamasında, PTA işlemiyle kaplanan Stellite 6 ve ağırlıkça %10 Mo alaşımlı Stellite 6 sert dolgu yüzeyler üzerinde işlem sonrası LSM işlemi uygulanmıştır. LSM uygulanmış alaşımsız ve Mo-alaşımlı Stellite 6 sert dolgu yüzeylerin oluşan mikro yapıları ve oda sıcaklığı (RT) ve yüksek sıcaklıkta (HT) kaymalı aşınma performansı değerlendirilmiş ve PTA ile uygulanmış ticari Stellite 6 sert dolgu kaplama ile karşılaştırılmıştır. Mo alaşımlı versiyonda LSM işlemi, ağ yapısında kompleks karbür ağırlıklı bir mikro yapı oluştururken, her iki sert yüzeyin mikro yapısında da tane incelmesine yol açmıştır. PTA Stellite 6 sert kaplama ile karşılaştırıldığında sonradan uygulanan LSM işleminin yüzey sertliğinde bir artışa neden olmakla birlikte abrasif aşınmanın hakim olduğu oda sıcaklığı testlerinde aşınma kaybının azalmasına neden olmuştur. 500 °C'de yapılan testlerde, PTA ve kaplama işlemi sonrası LSM uygulanan sert kaplamaların temas yüzeylerinde oluşan sırasıyla CoO ve Co3O4 tipi tribo-oksitler meydana gelen oksitleyici aşınmayı destekleyerek ilerlemesine katkıda bulunmuştur. Bununla birlikte, Co3O4 tipi tribo-oksitler CoO 'dan daha zayıf mekanik dayanım göstererek temas yüzeyinden daha kolay ayrılmalara yol açarak abrasif aşınma mekanizması ile aşınma kaybını arttırmıştır. Buna göre PTA işlem sonrası LSM uygulanan sert dolgu kaplamalar 500 °C'de PTA Stellite 6 sert kaplamadan daha yüksek aşınma kaybı gösterirken oda sıcaklığında gerçekleştirilen aşınma testlerinde tam tersi bir durum sergilemiştir. Özetle yapılan mikroyapısal incelemeler PTA ile uygulanan Stellite 6 ve Stellite 12 sert sert dolgu kaplama yüzeylerin Co-matris, Cr bakımından zengin ve W bakımından zengin karbürler olmak üzere üç fazdan oluştuğunu göstermiştir. PTA tekniği ile yüzeye uygulanan Stellite 6 sert kaplama malzemesinin ağırlıkça % 10 Mo ile alaşımlandırılması, kompleks karbürlerin hacim oranlarında ve boyutunda önemli bir artışa neden olarak yüzey sertliği ve aşınma direncinin artmasına yol açmaktadır. PTA işlemi sonrası uygulanan yüzey işlemi uygulaması, alaşımsız Stellite sert dolgu malzemesinde üç fazlı mikro yapılarının oluşumunu teşvik ederek mikroyapıda oldukça yüksek tane küçülmesine yol açarken, Stellite in Mo alaşımlı versiyonu için ağ morfolojisinde hücresel Co-matris ve karmaşık karbürlerden oluşan iki fazlı mikro yapıyı oluşturmaktadır. PTA işlemi sonrasında alaşımsız Stellite 12 ve Stellite 6 sert dolgu yüzeyler üzerine EBSM uygulaması, tane yapısı incelen karbürlerin matristen daha kolay ayrılması nedeniyle aşınma kaybını artırırken yüzey sertliğini artırmıştır. Bunun aksine işlem sonrası EBSM işleminin Mo-alaşımlı Stellite 6 sert yüzeylere uygulanması, oluşan ağ yapısındaki kompleks karbürlerin Co-matrisin plastik deformasyonunu engellemeye yardımcı olmasıyla minimum aşınma kaybına ulaşılmasını sağlamıştır. Bu, aşınma direncinin yüzey sertliği tarafından belirlendiği durumlar için, aslında karbürlerin boyutunun, hacim oranının ve morfolojisinin de oldukça önemli olduğunu göstermektedir. PTA sert dolgu yüzeylere uygulanan LSM işlemi, oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklıkta aşınma dirençleri açısından Stellite 6 sert dolgu yüzeyler için değişken sonuçlar göstermiştir. PTA işlemi ile uygulanan Stellite 6 sert dolgu kaplama için LSM işlemi yüzey sertliğinde bir artışa yol açmasına rağmen, abrasif aşınma mekanizmasının etkin olduğu oda sıcaklığında aşınma kaybının azalmasına yol açmıştır. Yüksek sıcaklıkta (500 °C), oksitleyici aşınma mekanizması PTA ile uygulanmış sert dolgu ve PTA işlemi sonrasında LSM uygulanan sert dolguların temas yüzeylerinde tribo-oksitleri destekleyerek aşınmanın ilerlemesine katkıda bulunmuştur. İşlem sonrası LSM uygulanan numunelerin temas yüzeyinde oluşan tribo-oksitlerin oluşturduğu tabakası koruyucu özelliğe sahip değildir ve bunların abrasif aşınma mekanizması ile yüzeyden ayrılmaları yüksek sıcaklık nedeniyle sertliği azalan matrisin aşınma kaybını hızlandırırken, PTA ile kaplanmış sert dolgu yüzeylerin temas yüzeylerinde oluşan oksitlerin daha kalın olduğu ve buna bağlı olarak aşınmaya karşı daha iyi koruma sağladığı bulunmuştur.