Developement of microstructures in high chromium containing hardfacing alloys

The objective of this work is to investigate the microstructure and the mechanical properties of iron-base high chromium containing hardfacing alloys. These materials are designed to realize bimetallic barrels to be used in plastic processing industries. The research moves from the analysis of two typical Abrasion-Corrosion resistant alloys (AC alloys). During manufacturing procedure, due to high temperatures involved, heavy diffusion phenomena occur, affecting the outcome of the process. These alloys have been studied simulating an increasing dilution rate, coherently to what happens when casting real bimetallic barrels, by different molten samples; variations have been analyzed with optical microscopy, electronic microscopy, macro and microhardness tests and differential scanning calorimetry. Moving from results and literature research, four different modifications have been performed. Silicon is added to a maximum of 9,43% wt, but it gives definite brittleness and the expected results are not obtained. Tungsten and cobalt are added in amounts lower than the 1% and the 5% wt respectively; hardness benefits from these additions and macroproperties result to be more stable, but embrittlement occurs. This modification alone is not completely satisfactory. Molybdenum is added to a maximum of 13,59% wt; results are positive, the macrohardness is not as high as with tungsten and cobalt but the toughness of the alloy is largely increased. The temperatures involved in the casting procedure anyway are affected negatively from the high molybdenum content, this modification alone is satisfactory but attention has to be paid to the manufacturing procedure. Lastly, tungsten and cobalt are added to high molybdenum containing samples in order to increase the mechanical properties. The effect of this powders mixture was definitely positive, since good toughness is obtained as well as a higher macrohardness with respect to the high molybdenum containing samples without the tungsten and cobalt addition. The temperatures involved in the casting procedure benefit from this addition, the manufacturing procedure is expected to be easier than with high molybdenum alone. Specific powders hence have been ordered to the powder producer with the purpose of casting a trial bimetallic barrel to be compared with a typical inlay obtained with the current powders.

Il presente studio, realizzato durante uno stage presso un’azienda leader nella produzione di cilindri bimetallici per la lavorazione dei materiali polimerici, descrive le procedure attraverso le quali è stata ottenuta una nuova lega antiusura. Nella lavorazione dei materiali polimerici, i macchinari utilizzati subiscono intensi fenomeni degradativi, sia di tipo meccanico che di tipo chimico, con diversa intensità in relazione al materiale processato. Il cimento estremamente severo da una parte, e la richiesta di una produttività sempre maggiore dall’altra, spingono verso lo studio di tecnologie che garantiscano vite di servizio sempre più estese; in quest’ottica la scelta di un adeguato materiale in grado di sopportare i fenomeni degradativi il più efficacemente possibile risulta fondamentale. Proprio in quest’ambito assume una posizione di rilievo la tecnologia dei cilindri bimetallici, realizzati mediante una procedura sofisticata che necessità di un importante know how e utilizzabili per la realizzazione di estrusori, di macchinari per il compounding o di apparecchiature per stampaggio ad iniezione. La tecnologia produttiva prevede innanzitutto la foratura del cilindro, realizzato in acciaio al carbonio o debolmente alligato, in base alle varie casistiche. Successivamente le polveri della lega selezionata per la realizzazione del layer protettivo, che può essere specificatamente progettato per resistere ad ambienti fortemente corrosivi, ad ambianti fortemente abrasivi o a combinazioni delle due situazioni (come nel caso del presente lavoro), vengono depositate in un quantitativo calcolato all’interno del cilindro forato; un processo di spin casting controllato che porta a fusione le polveri metalliche, seguito da finitura meccanica, completa la realizzazione del pezzo. Durante lo spin casting, a causa delle elevate temperature, si verificano fenomeni diffusivi e la lega viene diluita. Gli elementi della lega antiusura (i più significativi dei quali sono cromo, boro e carbonio) diffondono verso il materiale costituente il cilindro, mentre il ferro diffonde in direzione opposta. Il presente lavoro parte dallo studio del fenomeno di diluizione e dei suoi effetti su due tra leghe resistenti ad Abrasione e Corrosione (AC) ad oggi più ampiamente utilizzate, che verranno chiamate Alloy A e Alloy B. Le procedure sperimentali hanno previsto analisi tramite microscopia ottica, microscopia elettronica, test di macro e micro durezza, analisi tramite DSC. La diluizione comporta significative variazioni microstrutturali in queste leghe a base ferro e ad elevato contenuto di cromo, al punto che, se la lega pura solidifica dando un materiale ipereutettico, il layer diluito che si ottiene può essere addirittura ipoeutettico, nel caso di forte diluizione. Queste variazioni comportano una significativa diminuzione delle proprietà meccaniche del layer rispetto alle proprietà ottenibili dalla lega pura, influenzando quindi negativamente la resistenza all’usura. Risulta pertanto fondamentale prevedere l’intensità del fenomeno diffusivo al fine di ottenere un inlay con la microstruttura desiderata in relazione alla diluizione. Successivamente, sulla base delle osservazioni eseguite così come grazie ad un estesa ricerca bibliografica, diverse modifiche sono state apportate alle leghe AC miscelando diverse polveri. Dapprima il contenuto di silicio è stato aumentato fino ad un massimo del 9,43% in peso. Tale modifica non ha però comportato i miglioramenti attesi mentre la fragilità, benché non siano state riscontrate fasi particolari a base di silicio, è cresciuta notevolmente. Un’ulteriore modifica ha previsto l’aggiunta di contenuti modesti di cobalto e tungsteno alle attuali leghe. Gli effetti sono stati positivi, la durezza ha beneficiato di tale aggiunta ma la fragilità della lega è risultata più marcata rispetto alle attuali Alloy B ed Alloy A. Risultati buoni ma non completamente soddisfacenti sono pertanto stati ottenuti. Una terza modifica ha previsto un aumento del contenuto di molibdeno fino ad un massimo di 13,59% in peso. Questa modifica ha dato leghe caratterizzate da una macrodurezza lievemente inferiore rispetto a quanto ottenuto dalle modifiche precedenti, ma con una tenacità estremamente elevata. In ultimo, la notevole tenacità ottenuta ha suggerito un ulteriore modifica: aggiungere cobalto e tungsteno alle leghe ad alto contenuto di molibdeno. Lo scopo, raggiunto, è quello di ottenere una durezza elevata senza compromettere eccessivamente la tenacità di tali leghe. Quest’ultima modifica è risultata essere la più promettente, pertanto delle polveri con composizione chimica specifica sono state ordinate. La nuova lega Alloy D è stata pertanto utilizzata per realizzare un cilindro bimetallico di prova, il cui inlay è stato paragonato con un tipico inlay ottenuto con le polveri attuali.