Utjecaj toplinskoga ciklusa na svojstva dupleks čelika izrađenoga aditivnom proizvodnjom električnim lukom i žicom

Aditivna proizvodnja električnim lukom i žicom postupak je izrade metalnih dijelova nanošenjem dodatnog materijala sloj po sloj uz električni luk kao izvor topline. Iako omogućuje znatne uštede materijala te izradu složenih geometrija, ograničena je nedovoljno poznatim utjecajem složenoga toplinskog ciklusa na svojstva izratka. Taj je utjecaj osobito izražen kod dupleks nehrđajućeg čelika, čija dvofazna feritno-austenitna mikrostruktura, omjer faza i sklonost izlučivanju sekundarnih faza izravno ovise o toplinskoj povijesti materijala tijekom izrade. Cilj ovoga rada je evaluacija utjecaja toplinskog ciklusa na svojstva dupleks nehrđajućeg čelika izrađenoga postupkom aditivne proizvodnje električnim lukom i žicom uz primjenu aktivnog hlađenja uranjanjem pri kojem se kao rashladno sredstvo koristi voda. Postavljene su tri hipoteze: o primjenjivosti metode aktivnog hlađenja (H1), o njezinoj mogućnosti utjecaja na udio pojedinih mikrostrukturnih faza (H2) te o mogućnosti utjecaja na mehanička svojstva (H3). Predeksperimentom je utvrđen povoljan procesni okvir, pri čemu se impulsni način prijenosa metala pokazao najstabilnijim te je odabran za izradu uzoraka u glavnom eksperimentu. Izrađena su četiri uzorka od pune žice EN ISO 14343-A: G 22 9 3 NL (AWS ER2209) uz zaštitnu atmosferu Ar + 2,5 % N2. Jedan je uzorak izrađen bez aktivnog hlađenja (uz međuprolaznu temperaturu 200 °C), a preostala tri uz aktivno hlađenje uranjanjem pri udaljenosti vode od vrha gornjeg sloja od 30, 20 i 10 mm. Udaljenost vode pokazala se najutjecajnijim parametrom toplinskog ciklusa. Toplinski je ciklus kontinuirano mjeren te opisan vremenom inicijalnog hlađenja t8/5 i kumulativnim vremenima zadržavanja iznad 475 °C (t475) i 800 °C (t800). Provedena su ispitivanja stabilnosti procesa, teksture površine, homogenosti (radiografija), udjela ferita (feritmetar), mikrostrukture (optička i pretražna elektronska mikroskopija) te mehaničkih svojstava (tvrdoća, statičko vlačno ispitivanje i udarni rad loma). Prva je hipoteza potvrđena: proces je bio stabilan u rasponu udaljenosti vode od 10 do 30 mm, pri čemu udaljenost od 10 mm predstavlja donju granicu primjenjivosti uz šesterostruki porast projicirane površine pora. Druga je hipoteza također potvrđena. Feritni broj raste sa skraćivanjem toplinskog ciklusa, od 28 FN kod prirodno hlađenog do 37 FN kod najintenzivnije hlađenog uzorka, uz vrlo snažnu linearnu ovisnost o vremenu t475. Brže hlađenje potiskuje difuzijsku pretvorbu ferita u austenit te pogoduje grubljem Widmanstättenovom i alotriomorfnom austenitu. Štetne sekundarne faze (α', σ, χ) nisu utvrđene ni u jednom uzorku. Treća je hipoteza djelomično potvrđena. Mikrotvrdoća nije pokazala značajnu ovisnost o toplinskom ciklusu, a statičkim vlačnim ispitivanjem jasan je trend utvrđen samo kod vlačne čvrstoće longitudinalno orijentiranih epruveta, koja opada s 828 MPa na 792 MPa (približno 4 %). Udarni rad loma jasno opada sa skraćivanjem vremena hlađenja, uz izraženu anizotropnost između transverzalno i longitudinalno orijentiranih epruveta. Izvorni znanstveni doprinos rada čine primjena i validacija metode aktivnog hlađenja uranjanjem za dupleks nehrđajući čelik, kvantifikacija optimalnog raspona parametara te uspostava empirijskih regresijskih modela koji povezuju toplinski ciklus s mikrostrukturom i mehaničkim svojstvima izratka. Dodatno je uveden koncept kumulativnih vremena zadržavanja t475 i t800 te ekvivalentnih temperaturno-vremenskih krivulja na TTT dijagramu kao prikladnih za opis složene višecikličke toplinske povijesti materijala kod aditivne proizvodnje električnim lukom i žicom.