Μελέτη επιφανειακών κραματώσεων σε χαλύβδινα υποστρώματα με συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια

Abstract

Within the present thesis, the investigation is to examine and analyze the possibility of successful use of Concentrated Solar Energy (CSE) in the surface modification of materials and more specifically, in the formation of alloying on the surface of different steels.In more specific, within present work, the concentrated solar energy was applied to the melting of pre-deposited powders and existent coatings on different steel substrates, aiming at the formation of alloying with qualitative microstructural characteristics, well adhered to the substrate, which will perform good friction behavior and wear resistance. The post treatment of already formed (by other techniques) coatings, which was also conducted, by melting them with concentrated solar energy aimed at the improvement of these coatings basic characteristics : adhesion to the substrate, elimination of morphological distortions, increased micro-hardness, homogeneous chemical composition, and finally, improved resistance to friction and wear.All the materials examined within this work, as substrates and powders in pre-deposition, and all their combinations, were chosen based on the fact that they are widely applied in many different fields in the industry; therefore, they are very often referred to the most recent literature of the formation of surface alloying. In more specific each one of the following three different types of powders: the ceramic SiC, the cermet WC-17Co and the metallic Molubdenum based, “Amperit“ is pre-deposited on each one of the following steels: common steels St52.3, Ck60 and stainless steel 304L and treated with Concentrated Solar Energy. Thorough examination of the treated zones obtained, showed that in almost all of the cases, the solar treatment resulted in: deep alloyed zones well adhered to the substrate, increased grade of dilution of the powders or existent coatings, with no presence of cracks or worth mentioned pores or other discontinuities, the hardness is in every case at the very least 100% increased, compared to the substrate,friction and wear behavior are in all cases advanced and enhanced. The type of installations employed, along with the study of the influences of the experimental parameters’ deviation on the quality of the final product, make the solar treatment controllable and therefore repeatable, and followingly able to be optimized. To end with, an arithmetic model is built by means of COMSOL Multiphysics software 5.0,in order to reproduce the temperature field developed. The results are in good agreement to the experimentals. As for the innovation that is being introduced with the fulfillment of this thesis, it is self-evident that the energy source, the CSE, employed for conducting all the experimental work, is unique and pioneering to the field of surface treatments and in specific, the testing of all the substrates, pre-deposited powders and other coatings, used here.

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η δυνατότητα επιτυχούς χρήσης της Συγκεντρωμένης Ηλιακής Ενέργειας (ΣΗΕ) στην επιφανειακή κατεργασία σιδηρούχων κραμάτων, κυρίως χαλύβων. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μελετήθηκε η τήξη προαποτιθέμενων κόνεων σε υποστρώματα χάλυβα με στόχο τη δημιουργία κραμάτωσης με ποιοτικά μορφολογικά χαρακτηριστικά της μικροδομής, καλή συνάφεια με το υπόστρωμα, αλλά και αξιόλογη τριβολογική συμπεριφορά και αντίσταση στη φθορά.Επίσης, η συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιήθηκε και στη μετα-κατεργασία ανάτηξης υφιστάμενων επιστρώσεων, οι οποίες είχαν δημιουργηθεί με άλλες τεχνικές, προκειμένου οι επιστρώσεις αυτές να βελτιωθούν ως προς τα κύρια χαρακτηριστικά τους : πρόσφυση, μορφολογία, μικροσκληρότητα, χημική σύσταση, καθώς και τριβή/αντοχή στη φθορά. Όσον αφορά στα υλικά που επιλέχθηκαν ως υποστρώματα, αλλά και τα διαφορετικά είδη των κόνεων που επιλέχθηκαν για τη δημιουργία των επιστρώσεων, πρόκειται για υλικά και συνδυασμούς αυτών με ευρύτατες εφαρμογές σε πολλούς διαφορετικούς τομείς της σύγχρονης βιομηχανίας. Συγκεριμένα, μελετήθηκε η τήξη κάθε μίας από τις σκόνες : Κεραμική SiC,Mεταλλική Μο και Κεραμομεταλλική WC-17%Co σε κάθε ένα από τα χαλύβδινα υποστρώματα : Aνοξείδωτου χάλυβα SS304L, Κατaσκευαστικού St52.3 και Kατασκευαστικού Ck60 Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, η ηλιακή κατεργασία κατέληξε σε : μεγάλου βάθους ζώνες κραμάτωσης σε εξαιρετική συνάφεια με το υπόστρωμα, διαλυτοποίηση των προαποτιθέμενων κόνεων ή των υφιστάμενων επιστρώσεων και διαμόρφωση ομοιόμορφων δομών, χωρίς ρωγμές, ή αξιόλογο πορώδες ή / και άλλες ασυνέχειες. Η μικροσκληρότητα σε όλες τις περιπτώσεις αυξήθηκε κατ’ ελάχιστο 100%, η αντοχή στην τριβή και τη φθορά είναι σε όλες τις περιπτώσεις αναβαθμισμένη και ενισχυμένη. Η διάσταση της διατομής της δέσμης ενέργειας που παράγουν τα ηλιακά συστήματα συγκέντρωσης είναι πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με τις διαστάσεις των υπό κατεργασία δοκιμίων, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα να θεωρηθεί, με μεγάλη ακρίβεια ότι το θερμικό φορτίο με το οποίο πραγματοποιείται η κατεργασία, είναι σταθερό και εφαρμόζεται προς μία μόνο διάσταση. Αυτό καθιστά την ηλιακή κατεργασία ελέγξιμη, για στοιχειωδώς σταθερές καιρικές συνθήκες, επαναλήψιμη και τελικά βελτιστοποιήσιμη. Eπιπλέον, τα αποτελέσματα της αριθμητικής μοντελοποίησης με το λογισμικό COMSOL Multiphysics 5.0 πιστοποίησαν τα προαναφερθέντα αποτελέσματα. Το μοντέλο αυτό αποτελεί μία σημαντική βάση για το σχεδιασμό προσομοιωμένων βέλτιστων ηλιακών κατεργασιών για οποιοδήποτε συνδυασμό υλικών και γεωμετρίας. Όσον αφορά στην καινοτομία που εισάγεται με την ολοκλήρωση της διατριβής, αυτή είναι αυταπόδεικτη δεδομένου ότι η εφαρμογή της Σ.Η.Ε. ως πηγή υψηλής πυκνότητας ενέργειας για την εκπόνηση των πειραμάτων της παρούσας θέσης, είναι μοναδική και πρωτοπόρα στο πεδίο της δημιουργίας κραματώσεων σε χάλυβες, ειδικότερα για τους συγκεκριμένους συνδυασμούς υλικών. Επιπλέον, όλα τα διαφορετικά επίπεδα και είδη εξέτασης και δοκιμών των λαμβανομένων κραματώσεων, σε συνδυασμό με την τεκμηρίωση και πιστοποίησή τους μέσω της προσομοίωσης της ηλιακής κατεργασίας με την ανάπτυξη αριθμητικού εξειδικευμένου θερμικού μοντέλου, δεν έχει αναφερθεί στο παρελθόν.