Dilution effects in spin cast Fe-based thick coatings

In this thesis work the dilution effects in Iron-based thick coatings, spin cast at the inner surface of extruder barrels, are studied. During extrusion, the internal surface of the barrel is exposed to severe degradation. To increase its service life a protective coating is required; thick hardfacing coatings represent the state of the art for extruders protection. The wear mechanisms change along the extruder axis; a single alloy would not counteract efficiently all the mechanisms. This is the reason for the deposition of a gradient coating. Two alloys have been studied: alloy A, optimized against abrasion, and alloy B, optimized against abrasion and corrosion. Diffusive movements during casting cause microstructural changes in the alloys: in the undiluted state they solidify hypereutectically, while after dilution their microstructure may be eutectic, or even hypoeutectic. Tests on steel crucibles were performed to study the microstructural changes of the alloys as a function of the casting time and to measure, in multiple crucibles, the time required to melt the steel wall separating the moulds. It was observed that 15 min is a sufficient casting time to induce the hypereutectic to hypoeutectic transition for alloy A, while circa 25 min are needed to induce the same transition for alloy B. A time comprised between 20 and 25 min is sufficient to melt the separating barrier of double crucibles, 2mm thick, while about 35 min are needed to melt the separating barriers of triple crucibles, 4mm thick. Einstein diffusion theory was chosen to develop a model to calculate a dilution-related coefficient, D , for the interstitial elements of the two alloys.Three barrels, produced by a leader industry in the bimetallic extruder market field, were then analyzed to study the dilution effects after an industrial spin casting process. The powders deposition sequence was A-B-A for all the barrels. In the first and in the second barrel the powders were separated by separators, while in the third they were in direct contact. Both in the second and in the third barrel a gradient in the composition and in microhardness was present, but the use of the separators induced steeper gradients.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel progetto di ricerca Europeo DEBACOAT (Development of High-Performance Barrels with Innovative Gradient Coatings), come studio sui fenomeni di diluizione in rivestimenti spessi a base Ferro, depositati su barrels di acciaio di estrusori monovite tramite spin casting. Nei processi di lavorazione delle materie plastiche, i macchinari utilizzati vanno in contro a degradazione, sia di tipo meccanico sia di tipo chimico. Per questo motivo, la superficie in contatto con i materiali processati deve essere rivestita con opportuni coatings. In quest’ottica, le leghe hardfacing si presentano come lo stato dell’arte nella protezione dei cilindri per estrusori. Esse riescono a garantire vite di servizio maggiori rispetto a quelle ottenibili tramite altri processi di indurimento, quali carburazione e nitrurazione, ponendole come scelta preferenziale in ambiente industriale. I meccanismi di degrado presenti all'interno di un estrusore variano lungo l’asse dello stesso: nella regione prossima all'alimentazione e in quella prossima allo stampo il meccanismo dominante è quello dell’abrasione. Nella parte centrale, invece, il meccanismo dominante è quello della corrosione, sebbene sia presente anche abrasione. Sono state studiate due leghe hardfacing: la lega A, ottimizzata contro l’abrasione, e la lega B, resistente ad abrasione ed a corrosione. Entrambe le leghe sono state depositate tramite tecnologia delle polveri. Durante lo spin casting, a causa delle elevate temperature, si verificano fenomeni diffusivi che causano la diluizione delle leghe. Gli elementi che forniscono le proprietà antiusura e anti-corrosione ricercate (specialmente Boro, Carbonio, Cromo, Molibdeno, Nickel e Vanadio) diffondono verso il substrato, mentre il Ferro diffonde in direzione opposta. La diluizione comporta significative variazioni microstrutturali, al punto che, se le leghe non diluite solidificano con microstruttura ipereutettica, a seguito del processo diffusivo il coating può avere microstruttura eutettica o ipoeutettica. Prima di iniziare il presente lavoro sono state effettuate simulazioni in crogioli di Allumina, nei quali furono inserite, insieme alle polveri delle leghe A e B, diverse percentuali di polvere di Ferro. Questi esperimenti avevano lo scopo di simulare gli effetti della diluizione sulle leghe depositate su substrati di acciaio. La trasformazione ipereutettica-ipoeutettica per la lega A avviene per diluizioni dell’ordine del 10-20%, mentre per la lega B tra il 30 e il 40%. Durante la prima fase del lavoro sperimentale sono state effettuate diverse prove in crogioli di acciaio, per determinare gli effetti della diluizione sulle leghe in esame quando vengono depositate su acciaio. I primi crogioli ad essere studiati sono stati quelli con camera singola. Successivamente sono stati preparati crogioli con due o tre camere, separate da barriere di acciaio. Gli esperimenti sui crogioli multipli sono stati eseguiti variando la disposizione delle polveri depositate ed il tempo di casting. Gli scopi di tali esperimenti sono: studiare la variazione microstrutturale delle leghe in funzione del tempo di casting e misurare il tempo necessario per fondere le barriere separatrici. I crogioli sono stati analizzati tramite microscopia stereo, ottica ed elettronica e con prove di microdurezza. Le microstrutture ottenute sono state confrontate con quelle derivanti dalle simulazioni in crogioli di Allumina, ottenendo un valore percentuale di diluizione per ogni campione. La teoria della diffusione di Einstein è stata utilizzata come base per sviluppare un modello che permettesse il calcolo di un coefficiente di diffusione basato sulla diluizione, D* , per le leghe studiate. Dalle analisi sperimentali sui crogioli è emerso che: • un tempo di 15 min è sufficiente ad indurre la transizione ipereutettica-ipoeutettica per la lega A, ma non per la lega B. Ciò equivale a dire che la lega A ha subito una diluizione superiore al 10-20%, mentre la lega B inferiore al 40%, • per fondere la barriera che separa le camere in un crogiolo doppio, la quale ha uno spessore di 2mm, è sufficiente un tempo compreso tra 20 e 25 min, • per fondere le barriere che separano le camere in un crogiolo triplo, le quali hanno uno spessore di 4mm, è sufficiente un tempo intorno ai 35 min, • si osserva la formazione di un layer all'interfaccia tra la lega B e l’acciaio del crogiolo, che potrebbe essere martensite, arricchita da elementi di lega, • si osserva la presenza di una fase depositata ai bordi dei grani all'interfaccia tra la lega A e l’acciaio del crogiolo. Analisi EBSD hanno dimostrato che si tratta di cementite e • il modello proposto per il calcolo del coefficiente D* fornisce risultati comparabili a quelli trovati in letteratura. Dopo aver ottenuto informazioni riguardo gli effetti della diluizione in crogioli di acciaio, l’analisi sperimentale si è rivolta a campioni provenienti da barrels fabbricati da una nota azienda, leader nel campo degli estrusori bimetallici. I tre barrels analizzati presentano una disposizione assiale delle leghe A-B-A. Le polveri sono state separate, nel primo e nel secondo barrel, da appositi anelli separatori, mentre nel terzo barrel esse si trovano in diretto contatto. E' stata preparata solamente una sezione del primo cilindro, in corrispondenza dell'anello separatore, mentre per il secondo ed il terzo cilindro è stato studiato metà barrel. Tutti i campioni estratti sono stati analizzati tramite microscopie stereo, ottiche ed elettroniche e con prove di micro- e macrodurezza, per descrivere i fenomeni diffusivi agenti durante un processo di deposizione spin casting. Dall’analisi del primo barrel è emerso che l’anello separatore non rimane in posizione durante il processo di deposizione. Per evitare la traslazione della barriera è stato proposto l’utilizzo di C-rings ai lati della stessa. Dallo studio del secondo cilindro è emerso, però, che la presenza dei C-rings non ha impedito il movimento del separatore. Analisi chimiche, microscopiche e meccaniche sul secondo e sul terzo barrel hanno dimostrato la presenza di un gradiente di composizione, di microstruttura e di microdurezza lungo l’asse del cilindro. La composizione misurata a seguito del processo di deposizione è stata confrontata con quella delle leghe non diluite, ottenendo un valore percentuale di diluizione. La presenza dei separatori, nonostante il loro movimento, ha favorito lo sviluppo un gradiente più pronunciato, sia della composizione chimica del coating, sia dei valori di microdurezza. Si è notata una composizione costante nelle sezioni in prossimità della posizione iniziale del separatore, la quale fa supporre che esso vada incontro a movimento solo nella parte finale del processo di casting. La scelta di quale configurazione adottare dovrà essere basata su un bilancio del rapporto costi-benefici. Se, a seguito di prove in condizioni di processo standard, l’utilizzo di separatori risultasse troppo costoso in rapporto ai benefici forniti, il loro mancato posizionamento non inficerebbe in maniera drastica l’aumento delle caratteristiche protettive del rivestimento e, quindi, della sua vita di servizio rispetto ai coatings ad oggi disponibili.