how to build a site for free

Powłoki do ochrony przed zużyciem części maszyn wytwarzane metodami napawania i natryskiwania cieplnego

Krzysztof Szymański, Wojciech Szymański, Ewa Jonda 
OCHRONA PRZED KOROZJĄ W PRAKTYCE
ISSN 0473-7733, e-ISSN 2449-9501, vol. 63, nr 5/2020

W artykule przedstawiono przykłady zastosowania procesów natryskiwania cieplnego i napawania PTA do wytwarzania części maszyno wysokich własnościach użytkowych oraz procesów ich regeneracji. Wskazano na zalety procesów oraz efekty ich zastosowania.

Słowa kluczowe: zużycie, regeneracja części, powłoki ochronne, trwałość


The article presents examples of the use of thermal spraying and PTA surfacing processes for the production of machine parts with high performance properties and their regeneration. Advantages of processes and the effects of their application were pointed out.

Keywords: wear: regeneration of parts, protective coatings, durability

1. Wprowadzenie

Maszyny i urządzenia techniczne są obecnie elementem intensywnego  postępu cywilizacyjnego. Stają coraz bardziej powszechne,  wydajne i niezawodne. Jest to możliwe dzięki coraz „doskonalszym” materiałom wykorzystywanym do ich budowy. Głównymi procesami niszczącymi urządzenia i maszyny nadal 

pozostają procesy zużycia ściernego i korozji. Procesy te rozpoczynają się na powierzchni materiału i dlatego stan warstwy wierzchniej, jej struktura i skład chemiczny w dużej mierze decydują o własnościach użytkowych. Spośród wielu technologii i obróbek powierzchniowych na szczególną uwagę zasługują procesy natryskiwania cieplnego i napawania. Pozwalają one wytwarzać powłoki z praktycznie każdego materiału termoplastycznego na dowolnym podłożu. Korzystając z możliwości tych technologii oraz nowoczesnych kompozytowych materiałów powłokowych możemy wytwarzać elementy o wysokiej odporności na korozję, zużycie ścierne i posiadające szereg innych cech użytkowych których nie posiada materiał rdzenia jak np. określony współczynnik tarcia, przewodność elektryczną itp. Obecnie obserwujemy również bardzo intensywny rozwój materiałów inżynierskich o ścisłe zaprojektowanej strukturze i składzie fazowym które mimo swej relatywnie wysokiej cenie mogą być użyte do nałożenia powłok na wybrane obszary maszyn i urządzeń zdecydowanie podnosząc własności użytkowe i trwałość takiego 

zestawu. Nie do pominięcia jest również aspekt ekologiczny i ekonomiczny stosowania powłok natryskiwanych i napawanych wynikający 

z możliwości ich zastosowania do procesów regeneracji, obecnie stanowią one istotny zamiennik np. elektrolitycznych powłok chromowych. Obszarzastosowania omawianych powłok obejmuje praktycznie wszystkie dziedziny techniki - od przemysłu maszynowego, chemicznego, energetycznego poprzez motoryzację, lotnictwo a skończywszy np. na medycynie. W tym artykule ograniczono sie do przedstawienia tylko małego wycinka informacji dotyczących wytwarzania bardzo twardych powłok, o wysokiej odporności na zużycie ścierne i korozyjne. [1- 9]

2. Powłoki wytwarzane metodami natryskiwania i napawaniao wysokiej twardości i odporności na zużycie ścierne – metody i materiały

Istnieje wiele metod natryskiwania cieplnego różniących się przede wszystkim sposobem topienia i wytworzenia strumienia materiału natryskiwanego, nazywanych od źródła ciepła niezbędnegodo nadtopienia materiału powłokowego np. natryskiwaniepłomieniowe, łukowe, plazmowe, naddźwiękowe i zimnym gazem. Na rysunku 1 przedstawiono diagram prezentujący zakresy temperatur i prędkości cząstek materiału powłokowego dla różnych metod natryskiwania cieplnego.

Rys. 1. Metody natryskiwania cieplnego [7].
Fig. 1. Examples of the use of spray coatings to protect boiler plant
components [7]




Rys. 2. Powłoka wytworzona metodą HVAF na tłoczysku hydraulicznym, a) widok elementu, b) struktura LM
Fig. 2. Coating produced by the HVAF method on a hydraulic piston rod, a) view of the element, b) LM structure



Rys. 3. Powłoka wytworzona metodą HVAF na tłoczysku hydraulicznym, a,b) struktura SEM.
Fig. 3. Coating produced by the HVAF method on a hydraulic piston rod, a, b ) view of SEM structure

Z  powyższych metod najnowocześniejszą, obecnie komercyjnie stosowaną metodą jest metoda oznaczona symbolem HVAF (high velocity aero-fuel) należąca do metod płomieniowych o naddźwiękowej prędkości strugi materiału powłokowego. Metoda ta pozwala na wytwarzanie ekstremalnie gęstych, praktycznie pozbawionych porowatości powłok głównie z metali i materiałów kompozytowych zawierających węgliki. Spośród metod napawania na szczególną uwagę zasługują głównie dwa procesy napawania: laserowe i plazmowe. Dzięki dużej dokładności sterowania mocą a co za tym idzie temperaturą procesu pozwalają wytwarzać powłoki z materiałów o różnych składach chemicznych i fazowych. W praktyce przemysłowej częściej są stosowane metody plazmowego napawania głównie ze względu na zdecydowanie niższą cenę urządzeń technologicznych. Główną cechą odróżniającą procesy napawania i natryskiwania jest sposób i intensywność oddziaływania strugi na materiał podłoża, w procesach natryskiwania pozostaje ono praktycznie zimne (nagrzewa się do temp. ok 120 oC) tworząc pomiędzy powłoką a podłożem połączenie adhezyjne, natomiast w procesach napawania podłoże ulega częściowemu stopieniu umożliwiając dyfuzyjne połączenie z warstwą napawaną, generuje jednak w podłożu i warstwie naprężenia mogące być przyczyną odkształcania się elementów lub nawet ich pękania. Stosowane materiały powłokowe dla obu procesów są w zasadzie podobne, obejmują proszki stopów metali (na bazie żelaza, niklu lub kobaltu) z dodatkami tworzącymi węgliki in situ w czasie procesów lub dodawanymi jako oddzielny składnik strukturalny. Oczywiście postać materiału powłokowego (granulacja, morfologia i skład fazowy) różni się dla tych metod i wynika z postaci energii występującej w procesie (temperatura i prędkość cząstek). Proszki do natryskiwana cieplnego składają się z małych, często manometrycznych cząstek i mają małą granulację (5-30 mm) ziaren. Proszki do napawania plazmowego są o wiele większe (75-300mm) i dzięki temu, że przechodzą przez stan ciekły mogą być mieszaninami ziaren o odmiennym składzie fazowym. Szczegóły dotyczące doboru materiałów powłokowych do konkretnych zastosowań są jednak zadaniem bardzo złożonym i zdecydowanie przekraczają zakres tego artykułu. [1-4, 10-12].

3. Przykłady zastosowania powłok natryskiwanych cieplnie i napawanych do zabezpieczania elentów maszyn i urządzeń

Omawiane wcześniej technologie pozwalają na wytwarzanie powłok i warstw o bardzo wysokiej twardości i odporności chemicznej na praktycznie dowolnych podłożach (co do kształtu i składu chemicznego), jednak charakteryzują się szeregiem odmiennych cech wynikających ze struktury powłoki i uwarunkowań procesu wytwarzania.  Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono przykłady powłok zawierających fazy węglika wolframu w metalicznej osnowie typowe dla omawianych metod wytwarzania powłoki. Na rysunku 2a) przedstawiono przykład powłoki natryskiwanej metodą naddźwiękową wytworzonej na tłoczysku hydraulicznym z materiału zawierającego fazy węglika WC. Powłoka ta stanowi bardzo efektywny zamiennik chromowych powłok elektrolitycznych, posiada bardzo wysoką szczelność, praktycznie zerową porowatość, daje się polerować i osiąga twardość dochodzącą do 1550 HV0,1. Ponadto cechuje się doskonałym połączeniem z podłożem, brakiem oddziaływania cieplnego na nie. Wszystkie te cechy powodują że elementy zabezpieczone tą metodą znacznie przewyższają jakością i trwałością inne rozwiązania standardowo stosowane w polskiej praktyce przemysłowej. Mikrostruktura powłok przedstawiona na rysunku 3 jest typową strukturą powłoki napawanej z materiału kompozytowego zawierającego metaliczną osnowę (typu Ni-B-Cr) i fazę zbrojącą typu WC. Udział fazy zbrojącej wynosi ok 40 %, jej rozkład jest równomierny (nieznacznie mniej fazy zbrojącej jest przy powierzchni napoiny), powłoka posiada doskonałe połączenie z podłożem, charakteryzuje się niewielkim oddziaływaniem SWC, posiada równomierne lico spoiny i nie wykazuje żadnych wad wewnętrznych. Pod względem struktury napoina spełnia wszystkie wymagania stawiane tego rodzaju warstw. Twardość matrycy NiCrSiB mieści się w granicach 590-740 HV0,1 natomiast węglika WC odpowiada wartościom z przedziału 2310-2470 HV0,1 Powłoki tego typu ze względu na znaczną grubość (pow. 1 mm) oraz zastosowanie dużych, kanciastych ziaren WC doskonale spełniają role ochrony powierzchni przed zużyciem ściernym np. o luźne ścierniwo w wszelkich instalacjach dozujących lub odbierających materiały sypkie, nawet  o wysokiej twardości, stosowana osnowa wykazuje bardzo wysoką odporność na oddziaływania korozyjne wielu środowisk. Powłoki tego typu tj. o bardzo wysokiej odporności na ścieranie i korozję, są stosowane w wielu innych aplikacjach przemysłowych zarówno na zewnętrzne jak i wewnętrzne powierzchnie elementów (od średnicy 80 mm). Przykłady elementów zabezpieczonych powłokami natryskiwanymi cieplnie przedstawiono na rysunku 5, natomiast napawanych na rysunku 6. [10]

Rys. 4. Powłoka wytworzona metodą napawania PTA z kompozytu DURMAT59-PTA
(60%) + WSC (40%): a) widok elementu, b) makrostruktura, c) mikrostruktura LM
Fig. 4. Coating made by surfacing with PTA composite DURMAT59-PTA (60%) +
WSC (40%): a) view of the element, b) macrostructure, c) LM microstructure.

Rys. 5. Elementy maszyn i urządzeń zabezpieczone przed zużyciem powłokami natryskiwanymi
cieplnie.
Fig. 5. Machine and device components protected against wear by thermally
sprayed coatings.

Rys. 6. Elementy maszyn i urządzeń zabezpieczone przed zużyciem powłokami napawanymi PTA
Fig. 6. Elements of machines and devices protected against wear with PTA pads

4. Podsumowanie

Przedstawione przykłady zastosowania powłok ochronnych wytwarzanych metodami natryskiwania cieplnego oraz napawania są jednymi z wielu stosowanych w praktyce przemysłowej. Olbrzymia ilość typów materiałów powłokowych (ponad 200 grup materiałów) począwszy od tworzyw sztucznych, poprzez metale nisko (Al, Zn, babit), średnio (stale brązy mosiądze) i wysokotopliwe (Mo, Ni, Co, Hastelloy, Stellit) skończywszy na materiałach ceramicznych (węgliki, borki, tlenki) i ich wszelkich kombinacjach (kompozyty) daje bardzo szerokie możliwości konstruktorom w projektowaniu zoptymalizowanych materiałowo części. Również metody te dzięki swej uniwersalności i możliwości automatyzacji procesów są techniką umożliwiającą ich zastosowanie zarówno na etapie produkcji seryjnej jak i świadczenia usług z zakresu ich regeneracji elementów o zróżnicowanych gabarytach (od detali kilkucentymetrowych do kadłubów statków). Wszystkie powyższe cechy świadczą że metody te będą coraz szerzej stosowane w praktyce przemysłowej i pozwolą na wytwarzanie coraz wydajniejszych i trwalszych maszyn i urządzeń. 


Referat wygłoszony podczas XIII Konferencji Polskiego Stowarzyszenia

Korozyjnego, Jachranka, 23–25.10.2019.

BIBLIOGRAFIA

[1] Burakowski T., Wierzchoń T. 1995. Inżynieria powierzchni metali. Wydawnictwo

Naukowo- Techniczne, Warszawa.

[2] Klimpel A. 2000. Napawanie i natryskiwanie cieplne. Technologie. Wydawnictwo

Naukowo- Techniczne, Warszawa.

[3] Formanek B., K. Szymański. 2003. „Naddźwiękowe natryskiwanie cieplne

HVOF powłok o wysokiej odporności korozyjnej”. Inżynieria Materiałowa 24

(6) : 472-475.

[4] Formanek B. 1997. Naddźwiękowy proces natryskiwania cieplnego – HVOF,

nowe rozwiązania i zastosowania”. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach

5 : 116-121.

[5] Formanek B., Szymański K. 2004. “Natryskiwane cieplnie powłoki o wysokiej

odporności na zużycie erozyjne i korozyjne”. Inżynieria Materiałowa 25 (4)

783-790.

[6] Materiały konferencyjne ITS 2008 Maastricht, 2-4 czerwiec 2008, Holandia.

[7] Materiały konferencyjne ITSC 2007 May 14–16, 2007, Chiny.

[8] Materiały reklamowe firmy Flame Spray Technology.

[9] Materiały reklamowe i wewnętrzne firm Sulzer Metco, PraxAir, Armacorr

i H.C. Starck.

[10] Strona internetowa: www.oerlikon.com.

[11] Materiały własne firmy Thermal Spray & Coating, 41-403 Chełm śl. ul. Błędów  14. 

[12] Myalska H., Moskal G., Szymański K. 2014. „Microstructure and properties

of WC-Co coatings, modified by sub-microcrystalline carbides, obtained by

different methods of high velocity spray processes”. Surface and Coatings

Technology 260 : 303-309.

[13] Myalska Hanna, Szymański Krzysztof, Moskal Grzegorz. 2015. “Microstructure

and properties of WC-Co HVAF coatings obtained from standard,

superfine and modified by sub-micrometric carbide powders”. Archives of

Metallurgy and Materials 60 : 759-766.