povrchová úprava
HODNOTENIE TRIBOLOGICKÝCH
VLASTNOSTÍ FUNKČNÝCH POVLAKOV
APLIKOVANÝCH TECHNOLÓGIOU
VYSOKORÝCHLOSTNÉHO STRIEKANIA
PDF ČASOPIS
ÚVODNÍ
■
VPLYV MEDZNÉHO POVRCHU
MATERIÁL-NÁSTROJ NA
LISOVATEĽNOSŤ PLECHOV
Vybrané vlastnosti a aplikačné
možnosti netradičných
tryskacích prostriedkov
NOVÉ PŘÍPRAVKY - TECHNOLOGIE - SLUŽBY
■
ROČNÍK VII.
Hodnotenie odolnosti
vybraných žiarovo
striekaných povlakov
■
Listopad 2011
SLOVO
V únorovém vydání v r. 2010 jsme Vás seznámili s příspěvky, které jsme obdrželi ze Slovenské republiky, konkrétně z Technické univerzity v Košicích, Strojní fakulty, Katedry technologií a materiálů. V tomto vydání pokračujeme v zahájené spolupráci uveřejněním dalších příspěvků a věříme, že
informace v nich obsažené budou pro Vás přínosné.
Děkujeme všem autorům za vynikající spolupráci.
L. Pachta
ZPRÁVY
ANALÝZA VYBRANÝCH VLASTNOSTÍ KERAMICKÝCH PLAZMOVO STRIEKANÝCH POVLAKOV
DOC. ING. DANIEL JANKURA, PHD., TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA, KATEDRA TECHNOLÓGIÍ A MATERIÁLOV,
KOŠICE
ÚVOD
Technológia plazmového striekania patrí k najprogresívnejším procesom tvorby povlakov, umožňujúcim nanášanie aj ťažkotaviteľných materiálov v tvare drôtu alebo prášku. Tento materiál sa privádza do plazmového stĺpca, kde sa intenzívne nahrieva, taví, rozstrekuje a pri vzájomnom pôsobení s povrchom súčiastky vytvára povlak. Zvlášť významnú
úlohu v tejto oblasti zohrávajú keramické materiály, ktorých aplikačné
rozšírenie bolo umožnené práve vývojom plazmových zariadení
s plynnou resp. vodnou stabilizáciou oblúka.
Vlastnosti žiarovo striekaných povlakov vo všeobecnosti sú určované
fyzikálno- chemickými procesmi, ktoré prebiehajú v časticiach pri striekaní, ďalej procesmi, prebiehajúcimi medzi základným materiálom
a striekanými časticami ako i medzi samotnými časticami v povlaku pri
ich deformácii a tuhnutí. Kinetika a mechanizmus kontaktného vzájomného pôsobenia častíc ako i procesy v samotných časticiach určujú základné vlastnosti a pracovnú schopnosť povlaku [1,2].
Najrozšírenejším materiálom pre žiarové striekanie plazmou je oxidová
keramika. Ide o materiál tvorený úplne alebo prevažne jediným žiaruvzdorným oxidom. Niektoré základné látky a suroviny sa vyskytujú už
v prírode v podobe oxidov, iné sa pripravujú chemickou cestou či tepelným rozkladom. Vlastnosti povlakov sa podstatne líšia od vlastností
východzieho materiálu. Je to spôsobené radom faktorov, ktoré vstupujú
do deja jednak v priebehu letu striekanej čiastočky plazmovým lúčom,
jednak v procese tvorby povlaku. Pre zvýšenie niektorých vlastností
žiarovostriekaných povlakov sa používajú k základnej zložke, najčastejšie
oxidickej, rôzne dopanty napr. plastové, kovové ale aj keramické.
Za účelom dosiahnutia žiaruvzdornosti je potrebné nanášať povlaky
vysokej hustoty s dobrou tepelnou vodivosťou. Okolitá atmosféra nemá
prenikať do týchto povlakov. Naproti tomu za účelom dosiahnutia dobrých
tepelno-izolačných vlastností je nevyhnutné získavať pórovité povlaky
s nízkou tepelnou vodivosťou.
Niektorými povlakmi uvedeného typu môže prenikať okolitá atmosféra
až k povrchu základného materiálu. Dôsledkom je potom oxidácia základu a v náväznosti na ňu porušenie spoja povlak – základ. Preto pre získanie žiaruvzdorných a tepelno-izolačných povlakov sa nanáša medzivrstva z materiálov (Mo, Nb, NiAl, NiCr), ktoré vytvárajú bariéru medzi povlakom a základom a zvyšujú priľnavosť povlaku.
Plazmové striekanie patrí medzi moderné a produktívne technológie
žiarového striekania. Je charakterizované veľmi vysokou koncentráciou
tepla a vysokou pracovnou teplotou. Pre striekanie práškových materiálov sa vo svete používa veľké množstvo rozmanitých zariadení. Plazmové striekacie zariadenie tvorí komplex jednotlivých prístrojov a zariadení,
pričom výkonnou striekacou jednotkou je plazmový horák. Podľa stabilizačného média môžu byť plazmové horáky s plynnou a vodnou stabilizáciou oblúka [3,4].
Listopad 2011
Pri horákoch s plynnou stabilizáciou je vplyv parametrov striekania
oveľa zložitejší. Okrem intenzity prúdu, napätia a rýchlosti plazmového
lúča tu zohráva dôležitú úlohu aj množstvo privádzaného plazmového,
fokusačného a ochranného plynu, tvar a prevedenie hubice, trysiek a
priemer wolfrámovej elektródy. Výsledné vlastnosti generovaného plazmového lúča sú silne závislé na použitom prúde. V závislosti od použitého plazmového plynu teplota plynnej plazmy dosahuje 7 – 15 000 K,
v prípade hélia až 20 000 K [5,6].
Komerčne vyrábaný vodou stabilizovaný plazmový horák pozostáva so
špeciálne tvarovanej oblúkovej komory, rotačnej chladenej medenej
anódy a grafitovej katódy, (obr.1). Mechanizmus tvorby oblúkovej plazmy
spočíva v odparovaní vnútornej valcovej steny vodného víru, obklopujúceho oblúkový stĺpec. Odparovanie je indukované absorbciou časti joulovho tepla oblúka. Para neprúdi a jej ohriatie vytvára pretlak vo vnútri
oblúkovej komory, čím je plazma urýchľovaná k ústiu hubice. Vlastnosti
oblúka sú teda riadené procesmi, ovplyvňujúcimi odparovanie zo steny a
radiálnym transportom energie zo stredu oblúka k stenám (vnútorný
povrch víru vody). Výsledné vlastnosti generovaného plazmového lúča sú
silne závislé na použitom prúde. Teplota plazmového oblúka s vodnou
stabilizáciou dosahuje 30 000 K a viac [7,8].
Obr. 1 Plazmový horák PAL – 160 s vodnou stabilizáciou
Výhody a nevýhody systémov s vodnou (LP) a plynnou (GP) stabilizáciou plazmy je možné stručne zhrnúť nasledovne [6]:
• GP systém - vhodný pre získanie vysoko kvalitných malých plôch
s aplikáciou špeciálnych a, alebo drahých striekaných materiálov.
Nevýhodou je vysoká cena plazmových plynov a nižší výkon striekania.
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 1
•
LP systém - vysoká intenzita striekania (kg/kW.hod) umožňuje povrchovo upraviť veľké plochy ako aj výrobu samonosných prvkov.
Nevýhodou je nižšia účinnosť a zložitosť konštrukcie zariadenia.
Hlavným cieľom v oblasti vývoja povlakov je zvyšovanie úžitkových
vlastností výrobkov, úspora materiálov, hlavne kovových a deficitných a
predĺženie životnosti výrobkov. Klasické materiály sú aj napriek neustálemu hľadaniu ciest a možností zvyšovania ich vlastností na hranici použiteľnosti. Preto sa intenzívne vyvíjajú nové materiálové kombinácie,
ktoré by umožnili úspešne pokryť náročné požiadavky, vedúce k splneniu
týchto cieľov. V prípade keramických povlakov prichádzajú do úvahy
kompozitné materiály keramika - plast a keramika - kov. Nanášanie keramických práškov s prísadou polymérov bolo doposiaľ dokumentované
pri ich aplikácii metódou plazmového striekania s plynnou stabilizáciou
oblúka. Teplota plazmy u zariadenia s vodnou stabilizáciou oblúka dosahuje však až dvojnásobok teploty plynnej plazmy (30 000 K), takže je tu
opodstatnená otázka, ako sa budú správať rôzne dopanty vo východzom
prášku na báze keramiky v procese striekania a tvorby povlaku, ako aj
ich vplyv na funkčné vlastnosti nastriekaných povlakov.
POPIS EXPERIMENTÁLNYCH METÓD
Predmetom experimentálnej analýzy je štúdium stavby a adhéznych
vlastností plazmovo striekaných keramických povlakov na báze Al2O3 bez
použitia a s použitím kovového a plastového dopantu. Východzím povlakovacím materiálom v práškovom stave bol:
• korund Al2O3,
• korund Al2O3 + 3% TiO2,
• korund s obsahom polytetrafluóretylénu Al2O3 + 3 % TiO2 + 10 %
PTFE,
Obr. 2 Princíp skúšky priľnavosti
EXPERIMENTÁLNE VÝSLEDKY A
korund s kovovým dopantom Al2O3 + 12 % kovového prášku na
báze Ni (C - max 0,1%, Si - max 3,5 %, B - max 2,5%, Cr - max
2,5%, Fe - max 0,5 %, Ni - zvyšok).
Pre zistenie vplyvu medzivrstvy na priľnavosť povlaku sa aplikovali
NiCr medzivrstvy. Keramický povlak sa nanášal na čelnú plochu valcových kotúčikov φ = 25 mm vyrobených z ocele 11 373 (ISO 630 - 80)
plazmovým zariadením s vodnou stabilizáciou oblúka - horák WSP PAL
160. Pre každý druh povlaku boli vyhodnocované 3 vzorky. Hrúbky povlakov, merané hrúbkomerom Mitutoyo Digi-Derm, sa pohybovali
v intervale 180 - 230 µm, v prípade použitia medzivrstvy bola jej hrúbka
cca 60 až 80 µm.
Vzhľadom k nevyhnutnej podmienke adhézie povlaku k základu, ale aj
k protikusu boli ich povrchy predupravené mechanickým tryskaním na
laboratórnom zariadení s metacími kolesami typu Di – 2, pričom sa vychádzalo z doterajších výskumných poznatkov [9]. Na základe týchto
výsledkov boli zvolené nasledovné parametre:
• ostrohranný tryskací prostriedok – korundová drvina o rozmere zrna
1,0 až 1,2 mm,
-1
• rýchlosť letu zrna 80 m.s ,
-2
• nutné množstvo tryskacieho prostriedku 50 kg.m .
Pre získanie exaktných výsledkov priľnavosti keramických a kompozitných povlakov bola použitá skúšobná metodika podľa STN EN 582.
Jedná sa o deštruktívnu mechanickú odtrhávaciu skúšku (obr. 2,3), kde
priľnavosť sa vyjadruje napätím, pôsobiacim v smere kolmom k povrchu
základného materiálu, ktoré je nutné prekonať pre odtrhnutie povlaku.
Namáhanie spoja čistým ťahom sa realizuje použitím vhodného prípravku.
Obr. 3 Vzorka s povlakom pre skúšku priľnavosti
DISKUSIA
Výsledné spriemerované hodnoty adhéznej pevnosti jednotlivých povlakov po skúške priľnavosti odtrhávacou metódou sú graficky spracované na obr. 4. Na základe výsledkov je možno konštatovať, že bol jednoznačne preukázaný pozitívny vplyv kovovej medzivrstvy NiCr na priľnavosť povlakov. Najvýraznejšie zvýšenie priľnavosti bolo zaznamenané
u keramického povlaku Al2O3, viac ako 100% oproti povlaku Al2O3 bez
medzivrstvy. U keramického povlaku Al2O3 s 3% TiO2 a kompozitného
Al2O3 + 3% TiO2 + plast (10 % PTFE) došlo k zvýšeniu cca o 20 %. Najvyššie hodnoty priľnavosti boli zistené u kompozitného povlaku Al2O3 s
kovovou zložkou na báze Ni v koncentrácii 12 %, hoci sa pri jeho tvorbe
nepoužila medzivrstva.
Obr. 4 Hodnoty priľnavosti skúmaných povlakov
Listopad 2011
•
Výskum stavby povlakov bol realizovaný mikroskopickou analýzou
elektrónovým rastrovacím mikroskopom JEOL JSM – 7000 F. Obr. 5, 6 a
7 dokumentujú stavbu troch typov povlakov. Kompozitný povlak keramika
+ kov, obr.6, má typickú lamelárnu štruktúru, podobnú keramickému
povlaku tvoreného čistým korundom (Al2O3), obr. 5. Splaty na báze niklu
(biele oblasti), sú v porovnaní s diskami Al2O3 oveľa tenšie, a keďže nikel
je plastický, dokonale ich kopírujú. Tieto niklové splaty vytvárajú medzivrstvu medzi splatmi Al2O3 a tým zväčšujú ich súdržnosť. Uvedená skutočnosť pravdepodobne zvyšuje kohéznu pevnosť kompozitného povlaku, ako aj jeho adhéziu k oceľovému substrátu [10].
Obr.5 Lomová plocha keramického povlaku Al2O3 (SEM)
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 2
ZÁVER
20 μm
Obr.6 Lomová plocha kompozitného povlaku Al2O3 + kov
(SEM - režim COMPO)
U kompozitného povlaku keramika + plast, obr.7 a detailne na obr.8 je
možné pozorovať odlišné charaktery lomu. Lom má štiepny charakter,
prebiehajúci pretavenými časticami sendvičovej štruktúry povlaku –
splatmi, ktoré sú charakterizované nepravidelnými a ostrými okrajmi na
hraniciach lomu. Lom prebieha po hraniciach nepretavených častíc
sférického tvaru, a odkrýva hladký povrch týchto častíc. Boli identifikované amorfné štruktúry v lomovej ploche, vykazujúce tvárne vlastnosti
[11]. Ide o blanovité útvary veľmi malej hrúbky (menej ako 1 μm)
v porovnaní s hrúbkou iných splatov, s nerovnomernými a nepravidelne
formovanými okrajmi, ktoré vystupujú z lomovej plochy bez zreteľného
kopírovania častíc ležiacich pod nimi. Túto skutočnosť je možné vysvetliť
prítomnosťou polymérnej zložky v kompozitnom povlaku, ktorá sa pri
zaťažovaní porušuje prevažne tvárne.
Štúdiom stavby a adhézie povlakov, získaných technológiou žiarového
striekania plazmou s vodnou stabilizáciou elektrického oblúka možno
konštatovať, že:
¾ použitie medzivrstiev prináša zvýšenie priľnavosti keramických
aj kompozitných povlakov na báze keramika – plast,
¾ štúdium stavby povlakov, realizované na lomových plochách,
preukázalo typickú sendvičovú štruktúru, najvýraznejšiu
u keramických povlakov. U kompozitných povlakov s kovovou
zložkou tenké niklové splaty vytvárajú medzivrstvu medzi
splatmi Al2O3, čím zväčšujú ich súdržnosť a v konečnom dôsledku aj ich adhéziu. Obdobne pôsobí plastová zložka
u kompozitného povlaku s plastom, kde boli identifikované
amorfné štruktúry v lomovej ploche, vykazujúce tvárne vlastnosti,
¾ prídavok Ni do keramickej matrice zlepšuje stavbu povlakov
z hľadiska defektnosti a podstatne zvyšuje ich priľnavosť takmer 2,5 násobne oproti keramickému povlaku s medzivrstvou.
To umožňuje ich tvorbu bez použitia medzivrstvy a tým aj zvýšenie ekonomickej efektívnosti ich tvorby.
Z uvedených dielčich záverov je možné jednoznačne konštatovať, že
dopovaním keramických materiálov kovovou alebo plastovou zložkou sa
zvyšujú ich úžitkové - funkčné vlastnosti.
Príspevok bol spracovaný v rámci riešenia grantového vedeckého
projektu MŠ SR VEGA č. 1/0510/10
LITERATÚRA
MATEJKA, D. – BENKO, B.: Plazmové striekanie kovových
a keramických práškov, 1. vyd. ALFA Bratislava 1988.
[2] CHRÁSKA, P. et al.: Journal of Thermal Spray Technology, 4,
1992, p. 3016.
[3] HRABOVSKÝ, M. et al: IEEE transactions on Plasma Science,
35, 1997, p.833.
[4] Chasuj, A. - Mogiraki, O.: Naplavka i napylenije. Mašinostrojenije, Moskva, 1985.
[5] SOLOLENKO, O. P.: Thermal plasma torches and technologies. Cambridge international science publishing, Cambridge,
2000.
[6] AUBRECHT, V.: Technické aplikace plazmatu. Vutium, Brno,
2003.
[7] CHRÁSKA, P. - HRABOVSKÝ, M., In.: Proc. Int. Thermal
Spray Conf. & Exposition 1992. Eds.: Berndt, C.C. Materials
Park, OH, ASM Int. 1992..
[8] DUBSKÝ, J. - KOLMAN, B. - FORMAN, J., In.: I. národní konference o plazmových a žárových nástřicích. Eds. Brno, 1994.
[9] KNIEVALD, D.-BAČOVÁ, V., In.: Zborník vedeckých prác VŠT
v Košiciach, 1990, s.115.
[10] JANKURA, D. - PAPCUN, P.: Acta Mechanica Slovaca. roč.
11, č. 4-c/2007, Povrchové inžinierstvo 2007, s. 108.
[11] BAČOVÁ, V. - POĽAK, J.: Acta Mechanica Slovaca, 2005, TU
Sjf Košice, s.13.
[1]
Obr.7 Lomová plocha kompozitného povlaku Al2O3 + plast
(SEM)
Obr.8 Detail lomovej plochy s výskytom amorfnej zložky
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 3
HODNOTENIE TRIBOLOGICKÝCH VLASTNOSTÍ FUNKČNÝCH POVLAKOV APLIKOVANÝCH TECHNOLÓGIOU VYSOKORÝCHLOSTNÉHO STRIEKANIA
DOC. ING.
JANETTE BREZINOVÁ, PHD., TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA
ÚVOD
Žiarovo striekané povlaky patria k dynamicky sa rozvíjajúcim oblastiam
povrchového inžinierstva. Tieto vysoko kvalitné funkčné povlaky sú
aplikované ako v prvovýrobe, tak aj pri renovácií a to hlavne vďaka ich
vynikajúcim vlastnostiam, ktoré sa vyznačujú vysokou odolnosťou proti
opotrebeniu, korózii a vysokým teplotám [1-3]. Vďaka možnosti kombinácií materiálov (povlak – substrát) ponúkajú termické nástreky toľko možností, ako žiadna iná technológia nanášania. Metóda HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) patrí k technológiám, pri ktorých sú vytvárané povlaky s
veľmi nízkou hodnotou pórovitosti (< 1%) a vysokými hodnotami adhezívnej pevnosti v ťahu (> 80 MPa) v porovnaní so základným materiálom.
Dochádza k minimálnym teplotným zmenám vplyvom nástreku a
k získaniu povlakov s minimálnou hodnotou drsnosti povrchu.
Vzhľadom k tomu, že metóda HVOF nástrekov bola pôvodne vyvinutá
pre nanášanie karbidov kovov ako ochrannej vrstvy proti opotrebeniu, je
táto aplikácia stále hlavnou oblasťou jej použitia. Povlaky vytvorené
technológiou HVOF sa osvedčili ako maximálne odolné voči trom základným mechanizmom opotrebenia - abrazii, erózii a kavitácii. Možnosť
vytvoriť veľmi kompaktné vrstvy s nízkym obsahom kyslíka otvára HVOF
technológii možnosť jej využitia pre tvorbu povlakov odolných proti korózii a oxidácii, ako aj pre výrobu nosných konštrukcií. Pri praktických
aplikáciách však často dochádza ku kombinácii rôznych druhov namáhania. Široké uplatnenie našli tieto povlaky v strojárenstve. Jedná sa
hlavne o ochranu proti opotrebeniu vplyvom abrazie, čiastočne v kombinácii s koróziou. U tohto druhu aplikácií s teplotami do cca. 500°C sa
dobre osvedčili vrstvy tvorené WC-Co, WC-Co-Cr a NiCrBSi-WC [7-10].
Predkladaný príspevok prezentuje experimentálne získané výsledky
zamerané na hodnotenie vytypovaných povlakov aplikovaných technológiou HVOF zaťažených v podmienkach erozívneho a abrazívneho opotrebenia. Kvalita povlakov bola hodnotená na základe merania mikrotvrdosti, stavba a štruktúra povlakov bola študovaná využitím elektrónovej
a optickej mikroskopie.
METODIKA EXPERIMENTOV
Na výrobu skúšobných vzoriek pre aplikáciu povlakov bola zvolená
konštrukčná, nelegovaná, normalizačne žíhaná oceľ 12020 (STN 41
2020, C15E , 1.1141). Jej chemické zloženie je uvedené v tab.1.
Tabuľka 1 Chemické zloženie základného materiálu
C
0.12 – 0.18
Mn
0.30 – 0.60
Si
0.15 – 0.40
P
max 0.035
S
max 0.035
Mechanické vlastnosti materiálu: pevnosť v ťahu Rm=740 - 880 MPa,
medza klzu Re ≥ 440 MPa. Z tyče Ø50mm boli vyrobené skúšobné vzorky tvaru valca s výškou 15 mm.
PREDÚPRAVA POVRCHU VZORIEK
Skúšobné vzorky boli predupravené tryskaním pri tlaku vzduchu 0,5
MPa, použitý tryskací prostriedok - umelý hnedý korund Al2O3, stredný
priemer zrna dzK=1mm. Bol získaný neorientovaný povrch tvorený zásekmi po dopade tryskacích prostriedkov. Drsnosť povrchu bola hodnotená v zmysle normy STN EN ISO 4287 dotykovým profilometrom typu
Surftest SJ - 301 od firmy Mitutoyo, Japonsko.
Obr. 1 Podstata tvorby žiarových nástrekov a ukážka HVOF technológie
Oblasť použitia termických nástrekov je vďaka celej palete použiteľných materiálov a ich kombinácií veľmi široká. Je možné nanášať povlaky v širokom materiálovom spektre, od čistých kovov po špeciálne zliatiny [4-6]. Odolnosť cermetových povlakov je daná predovšetkým druhom,
morfológiou a veľkosťou tvrdých častíc a ich objemovým podielom v
húževnatej matrici [3].
Listopad 2011
VOĽBA MATERIÁLOV POVLAKOV
Na predupravené vzorky boli technológiou HVOF nanesené 3 druhy
povlakov:
- WC-729-1/1343 VM (WC-17Co),
- WC-731-1/1350 VM (WC-Co-Cr),
- CRC-300-1/1375 VM (Cr3C2-25NiCr).
Materiály boli striekané vo forme prášku, výrobca firma PRAXAIR, Inc.
USA, vyrobené aglomeráciou a spekaním. V tab.2 je uvedené chemické
zloženie použitých práškov.
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 4
Tabuľka 2 Chemické zloženie použitých práškových materiálov
Chemické označenie
Chemické zloženie
Cr3C2-25NiCr
aglomerované a
spekané
Ni 21%
C 10%
Cr zvyšok
Prietok/Hustota
Co 9,9%
Cr 3,9%
C 5,5%
WC-Co-Cr
aglomerované a
spekané
32 sek.
3
2,3g/cm
Vynikajúci pre vysokoteplotnú kavitáciu,
odolnosť voči klznému opotrebeniu a oteru,
dobrá odolnosť proti korózií a horúcim plynom, vysoká hustota, tvrdý povlak, Použitie
až do 871°C
19 sek.
3
4,5g/cm
Zhustená štruktúra s jemným karbidom
disperzne podporuje jemnú mikroštruktúru,
hustejšie a hladšie nátery, dobrá tekutosť
20 sek.
3
4,3 g/cm
Vyššia úroveň Co poskytuje lepšiu tuhosť,
húževnatosť a ťažnosť ako WC - 12 Co zhustená štruktúra podporuje lepšiu hustotu povlaku a tok prášku, dobrá tekutosť
W zvyšok
Co
C 5,3%
WC-17Co
aglomerované a
spekané
16,2%
W zvyšok
Tabuľka 3 Základné parametre zariadenia JP-5000
-1
Rýchlosť častíc [m.s ]
600 ÷ 1000
-1
Výkon nanášania [kg.h ]
3÷6
Na depozíciu povlakov bolo použité zariadenie JP-5000 americkej firmy Praxair TA, ktoré nanáša povlaky systémom HP/HVOF (High Pressure / High Velocity Oxygen Fuel) s podávačom prášku HVOF System
Powder Feeder 1264. Povrch povlakov nebol po nástreku ďalej upravovaný. Základné parametre nástreku HVOF sú uvedené v tab.3.
Aplikácia
Priľnavosť povlakov bola hodnotená odtrhovou skúškou podľa STN
EN 582 na trhacom stroji ZDM 10/91. Pri odtrhovej skúške priľnavosti
bolo stanovené ťahové napätie potrebné na roztrhnutie najslabšej medzifázy (adhézneho lomu) alebo najslabšej zložky (kohézny lom) skúšobného usporiadania, ako aj charakter lomu. Pre stanovenie východiskových
vlastnostií povlakov bola meraná mikrotvrdosť na priečnych výbrusoch v
zmysle normy STN ISO 4516 na prístroji HMV -2E Shimadzu pri zaťažení 980,7 mN (10g), čas výdrže 15 s. Stavba, štruktúra a chemická analýza skúmaných povlakov bola študovaná na rastrovacom elektrónovom
mikroskope (REM) JEOL JSM – 7000 F. Chemická analýza bola vykonaná pomocou energiovo-disperzného analyzátora INCA, ktorý umožňuje lokálnu chemickú EDX analýzu materiálu.
Pre simuláciu pracovných podmienok (dopad a prúdenie oxidov v kyslíkových konvertoroch) boli povlaky vystavené erozívnemu
opotrebeniu a abrazívnemu opotrebeniu vo voľne sypanom abrazíve pri
uhloch dopadu abrazíva 45° a 75°. Pre hodnotenie erozívneho opotrebenia bolo použité mechanické tryskacie zariadenie typu KP – 1, ktoré
umožňuje sledovať počty obehov abrazíva. Obvodová rýchlosť metacie-1
-1
ho kolesa bola 51,0 m.s a výstupná rýchlosť zŕn 70,98 m.s . Abrazívne
opotrebenie bolo hodnotené na zariadení Di-1, kde skúšobné vzorky sa
brodili vo voľne uloženom abrazíve. Rýchlosť vzorky v abrazíve bola 1,74
-1
-1
m.s (n=123 ot.min ). Prítlačná sila na vzorku je približne 1,3 kg. Jeden
cyklus zodpovedá 60 min chodu stroja, vzorky pritom prekonali dráhu
-1
6264 m.hod . Ako abrazívum bol použitý umelý hnedý korund Al2O3,
stredný priemer zrna dzK=1mm. Pre vyhodnotenie opotrebenia bola
použitá gravimetrická metóda.
DOSIAHNUTÉ VÝSLEDKY
Obr.2 Princíp nanášania zariadením HVOF a ukážka nástreku
1 - prídavný materiál - prášok, 2 - prívod kreosinu, 3 - prívod kyslíka, 4
- nástrek, 5 - podklad, 6 - zapaľovacia sviečka
Listopad 2011
Hrúbky povlakov sa pohybovali v rozmedzí 234 až 393 µm.
Najvyššie hodnoty mikrotvrdosti dosahoval povlak 1350 - WC-Co-Cr
(1447 HV0,1) čo mohlo byť spôsobené vysokým obsahom wolfrámu a
prídavkom kobaltu oproti povlaku 1343 - WC-17Co, ktorý tiež obsahuje
wolfrám ale v nižšej koncentrácii a dosahoval nižšie hodnoty mikrotvrdosti (1010 HV0,1). Najnižšie hodnoty mikrotvrdosti vykazoval povlak
1375 - Cr3C2-25NiCr s vysokým obsahom chrómu, bez obsahu wolfrámu (975 HV0,1). Drsnosť povlakov sa pohybovala od 5,556 – 6,564 µm.
Povlaky na báze WC (s označením 1350 a 1375) dosahovali rovnakú
hodnotu priľnavosti 31,59 MPa, priľnavosť povlaku WC-17Co bola nižšia,
dosahovala hodnotu 18,47 MPa. Pri hodnotení lomových plôch po skúške priľnavosti k porušeniu dochádzalo medzi protikusom a použitým
adhezívom na báze epoxidových živíc. Lokálne je možné pozorovať
kohézny lom adhezíva. Z uvedeného vyplýva, že priľnavosť povlakov vo
všetkých prípadoch bola výborná, nedošlo k oddeleniu povlaku od základného materiálu ani k jeho porušeniu. Na obr.3 sú zobrazené metalografické snímky hodnotených povlakov – SEM, v režime COMPO.
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 5
1343- WC-17Co
1350- WC-Co-Cr
1375- Cr3C2-25NiCr
Obr.3 Metalografický záznam priečnych výbrusov hodnotených povlakov
0,6
0,5
1343
0,3
1375
0,3
0,2
1350
0,25
0,1
0
0,2
Wh [g]
0,7
0,4
0,35
1343
0,15
0,1
2
4
6
8
10
12
Cykly
1350
b)
Obr.5 Priebeh erozívneho opotrebenia a – pri uhle dopadu 45°, b – pri
uhle dopadu 75°
0
‐0,05
0
1375
0,05
0
5
10
15
20
25
Cykly
a)
0,2
0,15
Wh [g]
0,8
Wh [g]
Na obr.4 je znázornený priebeh abrazívneho opotrebenia vo voľne sypanom abrazíve pri uhle dopadu 45° a 75°. Povlak 1343 - WC-17Co
v týchto podmienkach opotrebenia dosiahol najvyššie hodnoty
z hodnotených povlakov, pričom väčšie opotrebenie bolo dosiahnuté pri
uhle dopadu 45°. Povlaky 1375 a 1350 sa v priebehu skúšky neopotrebovali, dochádzalo k nalepovaniu častíc abrazíva v priebehu skúšky.
0,1
1343
1375
0,05
1350
0
0
5
10
‐0,05
15
20
25
Rozdielny charakter povrchu je zaznamenaný pri 3D zobrazení opotrebovaných povrchov povlaku 1343 po erozívnom opotrebení pri uhle
dopadu abraziva 45° a 75°, obr.6. 3D zobrazenia boli získané konfokálnym mikroskopom. Veľkosť erozívneho opotrebenia je ovplyvnená predovšetkým vzájomným pomerom tvrdostí opotrebovávaného povlaku
a dopadajúceho abraziva ako aj štruktúrnymi charakteristikami daného
povlaku. Z 3D zobrazenia je zrejmé, že väčšia členitosť povrchu bola
dosiahnutá pri uhle dopadu 75°, dochádza k premiestňovaniu materiálu
a tvorba nových konfigurácii extrúzií zodpovedá smeru a tvaru dopadajúceho abraziva. Pri väčších uhloch dopadu prevláda kovací účinok abraziva, kým pri menších uhloch prevláda ryhovací účinok abraziva, čomu
zodpovedá aj mechanizmus opotrebenia povlakov.
Cykly
b)
Obr.4 Priebeh abrazívneho opotrebenia a – pri uhle dopadu 45°, b –
pri uhle dopadu 75°
Na obr.5 je znázornený priebeh erozívneho opotrebenia pri jednotlivých uhloch dopadu abrazíva. Boli dosiahnuté veľmi podobné priebehy
opotrebenia pri všetkých druhoch povlakov. Najväčšie opotrebenie pri
uhle dopadu 45° bolo v počiatočných fázach zaznamenané pri povlaku
1350 cca do 5 cyklu, neskôr väčšie opotrebenie dosahoval povlak 1375,
čo je v súlade so stavbou a zložením uvedeného povlaku. Väčšie hmotnostné úbytky boli zaznamenané pri uhle 75° a to pri všetkých typoch
povlakov. Najväčšie opotrebenie pri tomto uhle dopadu bolo dosiahnuté
pri povlaku 1343. Z literárnych zdrojov vyplýva, že pri tvrdších materiáloch medzi ktoré je možné zaradiť aj hodnotené povlaky, sa väčšie opotrebenie dosahuje pri väčších uhloch dopadu, čo potvrdil aj experiment.
a)
0,35
0,3
Wh [g]
0,25
0,2
1343
0,15
0,1
0,05
1375
b)
1350
Obr.6 3D zobrazenie povrchu povlaku 1343 po erozívnom
opotrebení
0
0
2
4
6
8
10
12
Cykly
a)
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 6
ZÁVER
Na základe výsledkov vykonaných experimentov je možné skonštatovať, že najvyššiu mikrotvrdosť má povlak 1350 (1447 HV 0,1), nižšiu mal
povlak 1343 (1010 HV 0,1) a najnižšiu mal povlak 1375 (975 HV 0,1).
Opotrebenie hodnotených povlakov korešponduje so zistenými hodnotami mikrotvrdosti. Najvyššiu mikrotvrdosť mal povlak 1350, ktorý dosahoval najnižšie opotrebenie, najväčšie opotrebenie bolo zaznamenané
pri povlaku 1343 a to aj v podmienkach abrazívneho aj erozívneho opotrebenia. Vplyv uhla dopadu na veľkosť opotrebenia je rozdielny a závisí
od podmienok a typu opotrebenia.
Použitá literatúra
[1] O. P. Sololenko, Thermal plasma torches and technologies, Cambridge international science publishing, Cambridge, 2000.
[2] R. Suryanarayanan, Plasma Spraying: Theory and Aplicattions,
CNRS, London, 1993.
[3] J. C. Tan, L. Looney, M. S. J. Hashmi, Journal of Materials Processing Technology, 92-93 (1999) 203-208.
[4] M. Kašparová, F. Zahálka, Š. Houdková, Proceedings from conference METAL, Hradec nad Moravicí, 2009, pp.1- 4.
[5] M. Kupková, D. Jakubéczyová, M. Hagarová, Metalurgija, 49
(2010) 3, 203.
[6] R. Bidulský, M. Actis Grande, J. Bidulská, M. Vlado, T. Kvačkaj,
High Temperature Materials and Processes, 28 (2009) 175-180.
[7] J. M. Guilemany, J. M. Miguel, S. Vizcaíno, C. Lorenzana, J. Delgado, J. Sánchez, Surface and Coatings Technology 157 (2002) 207–
213.
[8] M. Ábel, Transfer inovácií, 10 (2007) 157-160.
[9] S. Matthews, B. James, M. Hyland, Surface & Coatings Technology
203 (2009) 1086–1093.
[10] J.F. Li, L. Li, C.X. Ding, Materials Science and Engineering A 394
(2005) 229–237.
Poďakovanie
Príspevok vznikol v rámci riešenia grantového vedeckého projektu
VEGA č.
1/0510/10.
VPLYV MEDZNÉHO POVRCHU MATERIÁL-NÁSTROJ NA LISOVATEĽNOSŤ
PLECHOV
ING. MIROSLAV TOMÁŠ, PHD., ING. JURAJ HUDÁK, CSC., TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA, KATEDRA
TECHNOLÓGIÍ A MATERIÁLOV
ÚVOD
Vnútorné a vonkajšie diely samonosnej oceľovej karosérie automobilov sú vyrábané zo širokého spektra ocelí s rôznymi vlastnosťami, ktoré s
uvažovaním technológie ich spracovania tvárnením často kombinujú
protichodné požiadavky: vysokú pevnosť a vysokú tvárniteľnosť. Trendom súčasnosti je znižovanie hmotnosti karosérie, spotreby, emisie
škodlivých plynov a zvyšovanie bezpečnosti posádky pri havárii vozidla.
V neposlednej miere jednou z požiadaviek na moderné automobily je
päťročná záruka na dekoračnú, resp. desaťročná záruka na perforačnú
koróziu [1]. Z uvedených dôvodov sa pre výrobu vnútorných a vonkajších
dielov karosérie automobilov používajú rôzne akosti za studena valcovaných oceľových plechov, ktoré sa vyrábajú ako elektrolyticky alebo žiarovo pozinkované, prípadne žiarovo pokovené hliníkom [2].
Karosárske oceľové plechy používané v automobilovom priemysle
musia mať okrem požadovaných hlavných technologických kritérií ako sú
tvárniteľnosť a dobrá zvariteľnosť aj vhodnú morfológiu povrchu, ktorá je
z hľadiska vzhľadu a priľnavosti laku veľmi dôležitou charakteristikou.
Trecie pomery pri lisovaní sú tiež ovplyvnené topografickými charakteristikami ako drsnosť, tvar a množstvo vrcholkov. Najmä na vonkajšie diely
karosérie automobilov sú kladené veľmi úzke tolerancie parametrov
mikrogeometrie povrchu s cieľom dosiahnutia rovnomerného reliéfu. Pri
aplikácii žiarovo pozinkovaného plechu je požadovaný matný povrch
plechu bez výrazného zinkového kvetu, drsnosť Ra 1,3 ÷ 1,8 μm a počet vrcholkov Pc 40 ÷ 65 pri hladine ± 0,5 μm Ra. [1]
Na základe doterajšieho výskumu a poznatkov okrem spracovávaného
materiálu je štruktúra tribo-systému hlbokého ťahania tvorená týmito
prvkami: kvalita kontaktných prvkov, zaťaženie kontaktných povrchov,
mazanie, dráha sklzu, relatívna rýchlosť sklzu, teplota stykových povrchov. Jednotlivé prvky sú vo vzájomnej interrelácii a úzko súvisia. [3,4].
Analýzou procesu hlbokého ťahania možno dospieť k záveru, že trenie je
jedným z najdôležitejších parametrov, ktorého reguláciou možno ovplyvniť schémy napätí a deformácií a tým aj veľkosť maximálneho pretvorenia ako výsledok zníženia ťažnej sily v dôsledku zníženia trecej zložky
sily [5].
Pre zníženie súčiniteľa trenia sa používajú mazivá. V praxi lisovní sa
používajú rôzne druhy kvapalných a konzistenčných mazív, ktorých
kvalita ovplyvňuje veľkosť trecej zložky sily, ale v podstate neovplyvňuje
charakter trenia pri ťahaní. Na podstatné ovplyvnenie trenia je potrebné
použiť mazivá zásadne iného charakteru. Takýmto mazivom je pevné
mazivo, vytvárajúce medzi činnými časťami nástroja a ťahaným plechom
pevnú medzivrstvu [5].
Cieľom príspevku je posúdenie vplyvu rozhrania spracovávaný materiál – povrch nástroja na medznú lisovateľnosť oceľových plechov, ktorá
bola hodnotená kalíškovacou skúškou. Medzné rozhranie spracovávaný
materiál – povrch nástroja bolo hodnotené v dvoch limitných stavoch –
bez použitia mazadla a s použitím pevného mazadla mikroténová fólia
EXPERIMENTÁLNA ČASŤ
Materiál
Experimentálne práce boli realizované na oceľových plechoch:
H – mikrolegovaná oceľ H220PD, a0 = 0,80 mm
T – oceľ TRIP, označ. RAK40/70, a0 = 0,75 mm
DC – hlbokoťažná oceľ DC06, a0 = 0,85 mm
Tab.1 Chemické zloženie hodnotených ocelí [%]
C
Mn
P
S
Ti
Si
Al
Cr
Cu
Nb
Zr
H
0,004
0,415
0,042
0,004
0,037
0,1
0,035
0,031
0,011
0,026
0,001
T
0,204
1,683
0,018
0,003
0,009
0,2
1,730
0,055
0,028
0,004
0,007
DC
0,020
0,250
0,020
0,020
0,300
2
Hodnotené oceľové plechy H a T boli obojstranne pozinkované, kde množstvo zinku predstavuje 100 g/m (ozn. Z100MBO). Hlbokoťažný oceľový
2
plech DC bol taktiež obojstranne pozinkovaný s množstvom zinku 75 g/m (ozn. BZE75/75PHOL).
Chemické zloženie ocelí je uvedené v tabuľke 1. Hodnoty mechanických vlastností, súčiniteľ normálovej anizotropie a exponent deformačného spevnenia sú súhrnne uvedené v tabuľke 2.
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 7
Tab. 2 Parametre materiálovej tvárniteľnosti experimentálnych materiálov
RP0,2
Rm
A80
smer
r
[%]
[MPa]
[MPa]
rm
∆r
n
0°
219
385
34,5
1,172
45°
225
368
37,4
1,782
H220PD
90°
238
382
35,8
1,823
0,229
T
0°
442
771
27,7
0,686
0,295
45°
441
762
25,4
0,870
RAK40/70
90°
450
766
25,9
0,838
0,278
DC
0°
138
277
53,0
1,665
0,266
45°
142
282
50,4
1,601
90°
141
277
51,7
2,112
H
DC06
Kalíškovacia skúška
Kalíškovacia skúška bola vykonaná za účelom určenia medzného
stupňa ťahania experimentálnych materiálov, ktorý bol použitý ako kritérium hodnotenia vplyvu kontaktného povrchu na proces hlbokého ťahania. Skúška bola realizovaná pre medzné kontaktné pomery:
- bez použitia mazadla – kontaktné rozhranie Zn povlak spracovávaného materiálu
- s použitím mikroténovej fólie - kontaktné rozhranie Zn povlak – mikroténová fólia.
V rámci skúšky boli ťahané menovité priemery výťažkov Ø 70 mm a Ø
150 mm. Východiskové priemery prístrihov boli vyhotovené rezaním
laserom, pričom ich odstupňovanie bolo pre priemer výťažku Ø 70 mm:
119, 123, 128, 133, 138 a 144 mm, resp. pre výťažok Ø 150 mm: 258,
273, 280, 300, 312, 333 a 345 mm. Rozmery funkčných častí experimentálnych ťažných nástrojov sú uvedené v tab. 3.
Tab.3 Rozmery funkčných častí experimentálnych nástrojov
Ø 70 Ø 150
- priemer ťažnice Dte [mm]
71,25 150,0
- priemer ťažníka dtk [mm]
69,15 147,2
Listopad 2011
∆n
0,231
0,001
0,290
-0,008
0,261
0,008
0,235
1,640
0,816
1,745
-0,285
-0,108
0,288
0,231
0,294
0,257
0,264
- ťažná medzera tm [mm]
1,05
1,4
- polomer zaoblenia ťažníka rtk [mm]
6
6
- polomer zaoblenia ťažnice rte [mm]
6
8
Kontaktné povrchy funkčných častí experimentálnych nástrojov, t. zn.
ťažníka, ťažnice, pridržiavača boli tepelne spracované, brúsené na Ra
0,4 μm, difúzne nitridované a leštené.
Pri ťahaní výťažkov boli merané priebehy a veľkosti ťažných síl (obr.
1), medzný stupeň ťahania bol stanovený matematicky. Pre jednotlivé
priemery prístrihu bola vyhodnotená maximálna ťažná sila, ktorá s rastúcim priemerom prístrihu lineárne stúpa. Lineárnou regresiou bola potom
určená rovnica priamky, z ktorej po dosadení sily na utrhnutie dna bol
vypočítaný medzný priemer prístrihu (obr. 2). [1,6]
Merný pridržiavací tlak pri ťahaní bol volený pre mikrolegovanú oceľ
2
H220PD a hlbokoťažnú oceľ DC06 na úrovni 1 MPa/mm . V prípade
TRIP ocele RAK40/70 bolo potrebné zvýšiť pridržiavací tlak na 2,5
2
MPa/mm , nakoľko sa pri ťahaní z dôvodu podstatne vyššej pevnosti
materiálu tvorili vlny pod pridržiavačom.
Obr. 1 Schéma experimentálneho meracieho systému pri
kalíškovacej skúške
Mikrogeometria povrchu plechov
Mikrogeometria povrchu vzoriek bola hodnotená dotykovým profilomerom Surftest SJ-301 fy Mitutoyo s diamantovým hrotom s polomerom
zaoblenia 5 μm. Pri meraní boli vyhodnocované parametre mikrogeometrie povrchu v zmysle STN EN ISO 4287:
•
Ra – stredná aritmetická odchýlka;
•
Rz – najväčšia výška profilu;
•
RSm – stredná šírka prvkov profilu;
nm
Obr. 2 Princíp vyhodnotenia medzného stupňa ťahania
a nenormalizované veličiny:
RPc – priemerný počet vrcholkov na jednotku dĺžky;
RLo – rozvinutá dĺžka profilu.
Výsledky merania boli zobrazované digitálne a graficky na dotykovom
paneli a na výstupe zabudovanej tlačiarne.
Meranie drsnosti povrchu na východiskovom stave povrchu bolo realizované na 3 rôznych miestach skúšobnej vzorky v 2 navzájom kolmých
smeroch. Celkovo bolo na 1 skúšobnej vzorke realizovaných 6 meraní.
•
•
•
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 8
DOSIAHNUTÉ VÝSLEDKY A ICH DISKUSIA
H220PD
Výsledné priemerné hodnoty parametrov mikrogeometrie povrchu
hodnotených materiálov v dodávanom stave sú uvedené v tabuľke 3.
Profil drsnosti základného stavu povrchu hodnotených materiálov je
uvedený na obr. 3 až obr. 5.
Tab. 4 Priemerné hodnoty parametrov mikrogeometrie povrchu
Parameter drsnosti
H
T
DC
RAK40/70
DC06
Ra [μm]
1,05
1,34
1,22
Rz [μm]
5,64
6,76
8,36
RSm [μm]
131
190
231
RPc [-/cm]
78,1
53,7
45,6
RLo [mm]
0,807
0,808
0,808
OBR. 3 PROFIL DRSNOSTI ZÁKLADNÉHO STAVU POVRCHU – MATERIÁL H220PD
OBR. 4 PROFIL DRSNOSTI ZÁKLADNÉHO STAVU POVRCHU – MATERIÁL RAK40/70
OBR. 5 PROFIL DRSNOSTI ZÁKLADNÉHO STAVU POVRCHU – MATERIÁL DC06
Vyhodnotené výsledné hodnoty medzných stupňov ťahania pre jednotlivé akosti materiálov, priemery výťažkov a kontaktné pomery sú uvedené v tabuľke 5.
Tab. 5 Dosiahnuté medzné stupne ťahania pre kontaktné rozhranie Zn povlak (suché trenie) a mikroténová fólia (pevné mazadlo)
Priemer výťažku:
Kontaktné rozhranie:
Ø 70
Zn povlak
(bez mazadla)
Ø 150
Zn povlak –
mikroténová fólia
Zn povlak
(bez mazadla)
Zn povlak –
mikroténová fólia
DC – DC06
2,288
2,404
2,232
2,353
H - H220PD
2,257
2,358
2,217
2,309
T - RAK40/70
2,088
2,237
2,028
2,123
Grafické znázornenie zmeny medzného stupňa ťahania v závislosti na medzi klzu materiálu a ťažnosti je uvedené na obr. 6, resp. obr. 7.
Obr. 6 Zmena stupňa ťahania v závislosti na medzi klzu RP0,2
Listopad 2011
Obr. 7 Zmena stupňa ťahania v závislosti na ťažnosti A80
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 9
ZÁVER
Na základe realizovaných experimentálnych prác možno konštatovať:
1. Podľa dosiahnutej hodnoty medzného stupňa ťahania pri kalíškovacej skúške bez použitia mazadla, ktoré predstavuje najnepriaznivejší
prípad kontaktných pomerov, je možné experimentálne materiály
klasifikovať: hlbokoťažnú oceľ DC06 (K = 2,288 – 2,232) stupňom
EDDQ-S, mikrolegovanú oceľ H220PD (K = 2,257 - 2,217) na hranici
stupňov EDDQ a EDDQ-S a TRIP oceľ RAK40/70 (K = 2,088 –
2,028) stupňom DDQ.
2. Použitie pevného mazadla mikroténová fólia priaznivo ovplyvňuje
medzný stupeň ťahania pri ťahaní z príruby u hodnotených plechov.
Medzný stupeň ťahania je vyšší pri použití mikroténovej fólie pre hlbokoťažnú oceľ DC06 o 0,116 (výťažok Ø 70), resp. 0,121 (výťažok
Ø 150), pre mikrolegovanú oceľ H220PD o 0,101, resp. 0,092 a pre
TRIP oceľ RAK40/70 o 0,149, resp. 0,095 oproti hodnotám dosiahnutým pri ťahaní bez použitia mazadla.
3. Medzný stupeň ťahania je ovplyvnený taktiež rozmerom ťahaného
výťažku; pri priemere výťažku Ø 150 mm boli dosiahnuté nepriaznivejšie hodnoty medzného stupňa ťahania oproti priemeru výťažku Ø
70 mm pre obidva medzné prípady kontaktných pomerov. Pokles
stupňa ťahania pre hlbokoťažnú oceľ DC06 je o 0,056 (bez mazadla), resp. 0,051 (mikroténová fólia), pre mikrolegovanú oceľ H220PD
o 0,040, resp. 0,049 a pre TRIP oceľ RAK40/70 o 0,059, resp. 0,114.
4. Hodnoty medzných stupňov ťahania sú v priamej nadväznosti na
medzu klzu a ťažnosť hodnoteného materiálu; čím vyššia medza klzu a nižšia ťažnosť, tým nepriaznivejšia hodnota medzného stupňa
ťahania.
Príspevok bol vypracovaný s podporou grantového projektu VEGA
1/0890/09 a realizáciou projektu: „Centrum výskumu riadenia technických, environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý rozvoj produkcie
a výrobkov v strojárstve“ (IMTS: 26220120060), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho
fondu regionálneho rozvoja.
LITERATÚRA
[1] HRIVŇÁK, A. – EVIN, E.: Lisovateľnosť plechov. Košice : Elfa,
2004. - 223 s. : ISBN 80-89066-93-3
[2] Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guedelines.
International Iron & Steel Institute, Committee on Automotive Applications, June 2009, Version 4.1
[3] MIELNIK, E. M.: Metalworking science and Engineering. Mc Graw Hill, Inc., New York, 1991, ISBN 0-07-041904-3
[4] POLLÁK, L.: Tribologický systém procesu hlbokého ťahania. In:
Zborník konferencie „INTERTRIBO 2002“. Dom techniky ZSVTS
Bratislava, Vysoké Tatry 2002, s. 124
[5] POLLÁKOVÁ, G.: Vplyv druhu plastických fólií na proces hlbokého
ťahania. In: Zborník konferencie „TECHNOLÓGIA ‘99“. SjF STU
Bratislava, 1999, s.294-297
[6] POLLÁKOVÁ, G. : Experimentálno-matematické určenie medzného súčiniteľa ťahania. In: Ocelové pásy 96. Společnost Ocelové
pásy.
Opava
september
1996,
str.
285-290
VYBRANÉ VLASTNOSTI A APLIKAČNÉ MOŽNOSTI NETRADIČNÝCH TRYSKACÍCH PROSTRIEDKOV
ING. DAGMAR DRAGANOVSKÁ, PHD. - TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA, KATEDRA TECHNOLÓGIÍ A MATERIÁLOV
ÚVOD
Mechanická predúprava tryskaním spočíva v tvorbe nového povrchu,
ktorý vytvára vhodný predpoklad na dokonalé zakotvenie následne aplikovaných povlakov. Práve aktivita povrchu, vyvolaná pretvorením povrchových vrstiev pri tryskaní, má značný podiel na adhézii základného
materiálu a ochranného povlaku.
Povrch po tryskaní má izotrópny, neorientovaný charakter, pričom jeho
tvorba je predovšetkým podmienená použitým tvarom a materiálom zrna
tryskacieho prostriedku. Pri tryskaní je možné použiť tradičné nekovové
tryskacie prostriedky ako kremičitý piesok, meďná troska, železná vysokopecná troska, tavený oxid hlinitý, olivínový piesok, staurolit a granát.
Okrem týchto typov nekovových tryskacích prostriedkov sa v súčasnosti
uplatňujú aj rôzne druhotné suroviny, napr. trosky z metalurgických procesov, makromolekulové látky – plastové abrazíva, hydrogenuhličitan
sodný, CEVA, tuhá forma oxidu uhličitého (suchý ľad) a mnohé ďalšie na
báze biologického odpadu. Mnohé z nich sa vyznačujú nízkou mernou
hmotnosťou a preto spadajú už do oblasti ľahkého tryskania, ktoré
umožňuje použitie nízkych tryskacích tlakov pri pneumatickom tryskaní,
čo do veľkej miery eliminuje nežiaduce sekundárne účinky tryskania,
najmä zvyškové napätia a deformácie substrátu. Touto metódou je možné zabezpečiť čistý povrch ekologicky neškodným spôsobom bez porušenia základnej vrstvy, odstraňujúcim nečistoty bez chemikálií, nepoškodzujúcim povrch kovov, ktorý umožňuje predúpravu krehkých materiálov,
umožňuje ľahkú likvidáciu odpadov.
MIKROGEOMETRIA OTRYSKANÉHO POVRCHU
Pri skúmaní otryskaného povrchu je jeho mikrogeometria daná v podstate veľkosťou odtlačkov resp. zásekov zŕn tryskacieho prostriedku.
Veľkosť stôp po dopade zŕn závisí v prvom rade na kinetickej energii
zrna, jeho tvrdosti a tvrdosti povrchových vrstiev základného materiálu.
Vzhľadom na špecifický charakter mikrogeometrie, najmä otryskaných
povrchov, najvhodnejšie a dosiaľ najviac prepracované sa javí hodnotenie kvantitatívne pomocou dotykových profilometrov.
Výpočtový systém na vyhodnocovanie parametrov mikrogeometrie povrchu, ktorý sa v celosvetovom meradle najviac používa, je založený na
metóde strednej čiary profilu. Pre otryskané povrchy, okrem parametrov
mikrogeometrie charakterizujúcich povrch vo vertikálnom smere (všeobecne najpoužívanejšie stredná aritmetická odchýlka povrchu Ra), je
Listopad 2011
hodnotenie nevyhnutné doplniť parametrami, ktoré klasifikujú povrch aj
z hľadiska členitosti. Vo vzájomnom kontexte týchto parametrov je potom
možné kvalifikovať rozdielnosť rôzne predupravených povrchov, otryskaných odlišnými tvarmi tryskacích prostriedkov, napr. guľatým tvarom –
granulátom a ostrohranným - drvinou.
Pri komplexnom posudzovaní mikrogeometrie otryskaných povrchov je
vhodné hodnotenie realizovať súborom parametrov, z ktorých najvhodnejšie je použitie:
- amplitúdových parametrov (Ra - stredná aritmetická odchýlka posudzovaného profilu, Rz - najväčšia výška profilu),
- parametrov rozstupu (RSm - stredná šírka prvku profilu),
- nosná Abbot- Firestonova krivka profilu.
AKTIVITA OTRYSKANÉHO POVRCHU
Technologické podmienky spracovania materiálu vo výraznej miere
ovplyvňujú, okrem mechanických aj fyzikálne a chemické vlastnosti
povrchu kovu. Tieto sa menia v závislosti na aktivite, ktorá môže mať
rôzne hodnoty. Na reálnom kovovom povrchu prebiehajú procesy, ktoré
môžeme popísať ako adsorpcia kyslíka na povrch kovu, disociácia molekúl kyslíka na atómy, vytrhnutie atómu kovu z kovovej väzby a vznik
oxidu kovu. Ak sa ukončí proces oxidácie, dôjde ku zmene deja, lebo
kyslík adsorbuje na povrch oxidickej vrstvy.
Vznikom
oxidickej
vrstvy dôjde následne k vytvoreniu ochrannej bariéry medzi kovovo
čistým povrchom a prostredím s obsahom kyslíka, čím sa zbrzdí alebo
úplne zamedzí prístupu molekúl kyslíka do atómových mriežok kovu.
Z uvedeného vyplýva, že aj celková rýchlosť oxidácie bude závislá na
vlastnostiach tejto vrstvy.
Jednou z dostupných metód hodnotenia aktivity povrchu po tryskaní je
meranie aktivity povrchu pomocou kalomelovej elektródy. Meranie aktivity povrchu uvedenou metódou sa realizuje pomocou bežnej kalomelovej
elektródy, ktorá je tzv. referenčnou elektródou. Voči tejto elektróde sa
určuje príslušný potenciál skúmaného otryskaného povrchu a jeho hodnoty sa odčítavajú z milivoltmetra s vysokým vstupným odporom. Keďže
merací prístroj má vysoké odporové hodnoty, zo sústavy sa odoberá
nepatrné množstvo prúdu, a tým je možné zanedbať polarizáciu elektródy.
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 10
VYHODNOTENIE
Experimentálne práce boli zamerané na získanie nových poznatkov pri
uplatnení trosky ako tryskacieho prostriedku a to v nadväznosti na koróznu odolnosť organických povlakov, nanesených na takto otryskaný
povrch. Táto demetalizovaná oceliarenská troska vzniká ako vedľajší
produkt pri výrobe ocele
Všetky vzorky boli otryskané na pneumatickom tryskacom zariadení
firmy Škoda Plzeň a to nutným množstvom tryskacieho prostriedku tak,
aby plocha, na ktorej bolo uskutočnené meranie, vykazovala rovnomerné
pokrytie stopami po dopade zŕn tryskacieho prostriedku (v ďalšom TP).
Boli použité tieto druhy tryskacích prostriedkov:
a) kovový tryskací prostriedok:
- oceľová drvina (v ďalšom OD) zrnitosti dz = 0,56 mm,
b) nekovový tryskací prostriedok:
- demetalizovaná oceliarenská troska (v ďalšom DOT), vedľajší
produkt pri výrobe ocele vo U.S. STEEL, a.s. Košice, zrnitosti dz = 0,9
mm. Troska použitá pri experimente bola v odležanom stave, triedená,
s následným chemickým zložením: 43,53% CaO, 13,5%SiO2, 1,68%
Al2O3, 28,15% Fe2O3, 6,15% MgO, 3,84% MnO, 0,94% SO3, 1,95%
surového železa.
Rôzne zrnitosti týchto TP boli volené s cieľom získania zrovnateľných povrchov z hľadiska drsnosti. Otryskané povrchy boli vyhodnotené z hľadiska mikrogeometrie dotykovým profilometrom Surftest SJ –
301, fy Mitutoyo, Japonsko.
Za účelom stanovenia aktivity predupravených povrchov boli vzorky
exponované vo vonkajšej atmosfére a merané v časových úsekoch
(okamžite po tryskaní, ďalej po 2, 6, 24, 120 a 192 hodinách). Meranie
aktivity povrchu bolo realizované pomocou kalomelovej elektródy. Voči
tejto elektróde sa určil príslušný potenciál skúmaného otryskaného povrchu. Pri meraní bola celá vzorka ponorená v príslušnom aktivačnom
roztoku (3%HCl). Pre meranie napätia bolo použité zariadenie od fy
KEITHLEY model 616 DIGITAL ELECTROMER s vnútorným odporom
14
10 ohmov.
Pre vyhodnotenie vplyvu tryskacieho prostriedku pred následným povlakovaním a stanovenie koróznej odolnosti povlakov boli okamžite po
tryskaní na vzorky aplikované nasledovné povlakové systémy:
1. AQUA DS
– jednovrstvový vodou riediteľný náter výrobcu Medvode Slovinsko,
2. náterový systém:
a) základný náter S 2003 – rýchloschnúca základná syntetická farba
na kovy výrobcu Pragoformex, použité riedidlo S 6005,
b) vrchný náter S 2013 – email syntetický vonkajší výrobcu Chemolak
Smolenice, použité riedidlo S 6006,
3. náterový systém:
a) základný náter S 2003 – rýchloschnúca základná syntetická
farba na kovy výrobcu Pragoformex, použité riedidlo S 6005,
b) vrchný náter C 2001 – email nitrocelulózový vonkajší výrobcu Chemolak Smolenice, použité riedidlo C 6000.
a)
Listopad 2011
Pre vyhodnotenie koróznej odolnosti povlakov bola použitá urýchlená
laboratórna skúška ochrannej účinnosti povlakov v kondenzačnej komore. Celková doba trvania skúšky a teda doba expozície vzoriek v tomto
zariadení bola 21 dní.
Na základe nameraných hodnôt veličín mikrogeometrie a to strednej
aritmetickej odchýlky Ra, najväčšej výšky profilu Rz, strednej šírky prvkov profilu RSm, tab. 1, možno konštatovať, že charakter otryskaných
povrchov bol zrovnateľný. Namerané priemerné hodnoty drsnosti sú
uvedené v tabuľke 1.
Tab. 1 Priemerné hodnoty parametrov drsnosti
vrchov
Typ povrchu
u jednotlivých po-
Ra [μm] Rz [μm] RSm[μm]
otryskaný oceľovou drvinou
10,34
69,31
306,29
otryskaný DOT
11,22
70,49
390,89
Pri meraní počiatočných hodnôt aktivity povrchov pred expozíciou vo
vonkajšej atmosfére bola u povrchu otryskaného oceľovou drvinou dosiahnutá hodnota - 613 mV, u povrchu otryskanom demetalizovanou
oceliarenskou troskou - 499 mV. Uvedené rozdielnosti je možné zdôvodniť vysokou prašnosťou trosky, prípadne možnými zapichnutými zrnami
tohto tryskacieho prostriedku v kovovom povrchu.
U oboch použitých tryskacích prostriedkov hodnoty napätia v závislosti
na čase postupne smerujú ku kladnejším hodnotám, obr.1. To znamená,
že okamžite po otryskaní má materiál najvyššiu aktivitu a teda aj najvyššiu schopnosť adsorpcie.
Obr. 1 Namerané potenciály tryskacích prostriedkov v závislosti na
čase
čas [hod]
-300
-350
potenciál [mV]
METODIKA EXPERIMENTÁLNYCH PRÁC A
0
15
30
45
60
75
90 105 120 135 150 165 180 195
-400
-450
-500
-550
-600
OD
DOT
-650
Pri expozícii vzoriek vo vonkajšej atmosfére dochádza teda
k znižovaniu aktivity povrchu chemickými reakciami medzi kovovým
povrchom a okolitou atmosférou a to za spoluúčasti zostatkových povrchových produktov (nečistôt) aplikovaných tryskacích prostriedkov.
Povrch materiálu nadobudne ustálený potenciál, ktorý postupne mierne
klesá. Poklesom aktivity dochádza ku degradácii rozpúšťaním (koróziou)
povrchu, čo dokumentuje vzhľad povrchov, obr.2.
b)
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 11
c)
d)
Obr.2 Vzhľad povrchov vzoriek otryskaných DOT (vľavo) a oceľovou drvinou (vpravo) a) po 2hod. b) po 6hod. c) po 24hod. d) po 48 hod. expozície
v exteriéri
Porovnaním koróznej odolnosti jednotlivých náterov aplikovaných:
a) na povrch otryskaný DOT bol najodolnejší náterový systém
S 2003 + S 2013, menej odolný náterový systém S 2003 +
C 2001 a najmenej náter AQUA DS,
b) na povrch otryskaný oceľovou drvinou bol najodolnejší náterový systém S 2003 + S 2013, menej odolný náter AQUA DS
a najmenej odolný náterový systém S 2003 + C 2001.
Priebehy rozsahov korózneho napadnutia v závislosti na expozičnej
dobe u všetkých druhov skúšobných náterov pri otryskaní DOT
a oceľovej drviny sú znázornené na obr. 3, 4.
Rozsah koróz. napadnutia [%]
12
10
8
Pri vzájomnom zrovnávaní účinku oboch druhov tryskacích prostriedkov, t.j. DOT a oceľovej drviny, na koróznu odolnosť následne aplikovaných povlakov, boli zistené zásadné rozdielnosti. Ide tu predovšetkým
o tvorbu pľuzgierikov, ktoré mali rozdielny charakter u povrchov otryskaných DOT ako u povrchov otryskaných oceľovou drvinou, obr. 5 - 6.
Zatiaľ čo pod pľuzgierikmi, vzniknutými na povlakoch aplikovaných na
povrchy otryskané DOT neboli identifikované žiadne splodiny korózneho
napadnutia oceľového základného materiálu, pľuzgieriky na povrchoch
otryskaných oceľovou drvinou boli jedným z centier korózneho napadnutia základného materiálu.
Uvedený jav je možné vysvetliť účinkom reakcie koróznej atmosféry so
základným kovovým povrchom, ktorý nesie stopy po znečistení použitým
tryskacím prostriedkom – troskou. Keď hovoríme o znečistení, myslí sa
tým sekundárne znečistenie zaprášením povrchu prachovými časticami
DOT (konkrétne chemickými zlúčeninami na báze Ca, čo vyplýva
z chemickej analýzy DOT).
6
4
2
0
0
10
20
30
Expozičná doba [dni]
AQUA DS
S 2003+S 2012
S 2003+C 2001
Rozsah kor.napadnutia [%]
Obr.3 Rozsah korózneho napadnutia povlakov v závislosti
na dobe expozície u predúpravy povrchu OD
Obr.5 Vzhľad náterového systému S2003+C2001 pred (vľavo) a po
(vpravo) expozícii v kond. komore pri použití DOT
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
Expozičná doba [dni]
AQUA DS
S 2003+S 2012
S 2003+C 2001
Obr. 4 Rozsah korózneho napadnutia povlakov v závislosti
na dobe expozície u predúpravy povrchu DOT
Listopad 2011
Obr.6 Vzhľad náterového systému S2003+C2001 pred (vľavo) a po
(vpravo) expozícii v kond. komore pri použití OD
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 12
ZÁVER
Cieľom experimentálnych prác bolo hodnotiť mikrogeometriu, aktivitu
oceľového povrchu a koróznu odolnosť povlakov po tryskaní rôznymi
druhmi tryskacích prostriedkov.
Pri hodnotení mikrogeometrii kovového povrchu objektívny obraz podáva len súbor veličín drsnosti povrchu, pozostávajúci z jednotiek, charakterizujúcich povrch vo všetkých troch smeroch, pozdĺžnom, zvislom a
tvarovými odchýlkami.
Stanovenie optimálnej doby od tryskania po nanesenie povlaku je
podmienené vypracovaním nových metodík, ktoré umožnia určiť túto
dobu. V práci bola použitá na hodnotenie aktivity povrchu metóda kontaktná, založená na zmene potenciálu dvojice elektróda – skúšobný
povrch ponorom v elektrolyte. Pri expozícii vzoriek vo vonkajšej atmosfére dochádza k znižovaniu aktivity povrchu chemickými reakciami medzi
kovovým povrchom a vonkajšou atmosférou. Materiál nadobudne postupne ustálený potenciál, ktorý len mierne stúpa, a aktivita povrchu
mierne klesá. Každým poklesom aktivity povrchu dochádza ku ďalšej
degradácii povrchu. Troskový tryskací prostriedok svojou prašnosťou
a chemickým zložením pasivuje povrch. Táto skutočnosť sa pri meraní
aktivity prejavila polovičnými hodnotami elektródového potenciálu demetalizovanej oceliarenskej trosky oproti povrchu otryskaného kovovým
tryskacím prostriedkom – oceľovou drvinou.
Pri hodnotení koróznej odolnosti následne aplikovaných povlakov na
povrchoch otryskaných rôznymi druhmi TP boli bezprostredne po tryskaní zistené rozdielnosti v ich prejavoch korózneho napadnutia. U povrchov otryskaných DOT bola zaznamenaná tvorba pľuzgierikov s odlišným charakterom ako u povrchov otryskaných OD. Pod pľuzgierikmi,
vzniknutými na povlakoch aplikovaných na povrchy otryskané DOT neboli identifikované splodiny korózneho napadnutia, na rozdiel od povrchov otryskaných OD, kde práve pľuzgieriky boli prejavom korózneho
napadnutia základného oceľového materiálu. Túto rozdielnosť je možné vysvetliť znečisťujúcim účinkom DOT zaprášením kovového povrchu
prašným podielom (sekundárne znečistenie). Z uvedeného dôvodu využitie DOT ako tryskacieho prostriedku sa javí reálne pod povlaky vykazujúce nízku pórovitosť alebo pod povlaky u ktorých z estetického hľadiska
tvorba pľuzgierikov nie je podstatná.
Príspevok bol spracovaný v rámci riešenia grantového projektu VEGA
č. 1/0510/10 a realizáciou projektu: „Centrum výskumu riadenia technických, environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý rozvoj produkcie
a výrobkov v strojárstve“ (IMTS: 26220120060), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho
fondu regionálneho rozvoja.
LITERATÚRA
Draganovská, D.: Analýza procesu tvorby a vlastností nových povrchov, získaných technológiou tryskania. DDP, 2005. TU Košice.
Sedláček, V.: Povrchy a povlaky kovů, Praha, ČVUT, 1992
KALENDOVÁ, A.: Metody testování vlastností organických povlaku.
Pardubice, Univerzita Pardubice, 2001. ISBN 80-7194-398-3.
STN EN ISO 4287: 1999 Geometrické špecifikácie výrobkov (GPS)
Charakter povrchu: Profilová metóda – Termíny, definície a parametre
charakteru povrchu.
BAČOVÁ, V. - DRAGANOVSKÁ, D.: Analyses of the quality of blasted
surfaces. In: Materials Science. vol. 40, no. 1 (2004), p. 125-131. ISSN
1068-820X.
BAČOVÁ, V. - DRAGANOVSKÁ, D.: Pretreatment of surfaces by slag
blasting materials. In: Acta Mechanica Slovaca. roč. 10, č. 4-a Povrchové
inžinierstvo 2006 (2006), s. 13-18. ISSN 1335-2393.
HODNOTENIE ODOLNOSTI VYBRANÝCH ŽIAROVO STRIEKANÝCH POVLAKOV
ING. ANNA GUZANOVÁ, PHD., KATEDRA TECHNOLÓGIÍ A MATERIÁLOV, STROJNÍCKA FAKULTA TECHNICKEJ UNIVERZITY V KOŠICIACH
Žiarové nástreky predstavujú perspektívnu technológiu poskytujúcu
funkčné povlaky o hrúbke väčšej ako 50µm, používané v mnohých odvetviach priemyslu. Ich potenciál spočíva vo zvyšovaní kvality výrobkov,
v možnostiach renovácie opotrebených častí rôznych zariadení, čo má
v konečnom dôsledku vplyv na ekonomiku výroby a zvyšovanie úžitkových vlastností výrobkov.
Silné stránky týchto povlakov sa dajú zhrnúť nasledovne:
• odolnosť voči mechanickému opotrebeniu (abrazia, erózia, kavitácia),
• vynikajúce tribologické vlastnosti (samomazané, klzné, tesniace povrchy),
• odolnosť voči oxidácii, korózii a proti pôsobeniu agresívneho chemického prostredia,
• odolnosť voči extrémne vysokým teplotám,
• elektroizolačné a elektrovodivé povlaky,
• biokompatibilné povlaky,
• možnosť vytvárať povlaky zo špeciálnymi fyzikálnymi vlastnosťami
(supravodivosť, optika, odolnosť voči žiareniu a pod.),
• možnosť vytvárať dekoratívne povlaky.
Ich prednosťou je tiež fakt, že nedochádza k materiálovo významnému
tepelnému ovplyvneniu základného materiálu a možnosť vytvárať nástreky s premenlivým zložením. K nedostatkom patrí výskyt pórovitosti,
pomerne nízka pevnosť rozhrania nástrek - podklad a nízke využitie
deponovaného materiálu.
V prípade nasadenia týchto povlakov do prostredia s vysokou
a premenlivou teplotou rozdielna teplotná rozťažnosť substrátu a povlaku
má za následok oslabenie ich vzájomných väzieb a prejaví sa odlupovaním povlaku. Na elimináciu tohto javu sa medzi povlak a substrát aplikujú
medzivrstvy s vyššou rozťažnosťou ako povlak, aby tieto tepelné dilatácie kompenzovali. Tieto medzivrstvy sú zväčša kovové povlaky (NiCr,
NiAl a pod.), ktoré sa pre svoju nižšiu teplotu tavenia nanášajú spravidla
inou technológiou (napr. plameňom) ako keramické vysokotaviteľné
prášky povlakov. Aplikácia medzivrstvy však predlžuje proces tvorby
výsledného povlaku a zároveň si vyžaduje ďalšie zariadenie na ich aplikáciu inou technológiou. Preto vzniká otázka, či nie je možné zlepšiť
priľnavosť povlaku iným spôsobom, ako nástrekom medzivrstiev, napríklad nástrekom zmesi prášku konkrétneho povlaku s práškom medzivrstvy v istom pomere. Možnosť aplikovať zmesné povlaky bez medzivrstvy
by urýchlila proces tvorby výslednej vrstvy a zredukovala by proces
povlakovania na jednu operáciu. Na overenie tejto myšlienky bol vykonaný experiment s povlakmi na báze ZrSiO4 v kombinácii s materiálom
medzivrstvy – NiCr.
Ako základný materiál pre výrobu telies skúšobných vzoriek bola použitá oceľ C16E (1.1121). Ide o konštrukčnú, nelegovanú, uhlíkovú oceľ
vhodnú na cementovanie s nasledovným chemickým zložením, tab.1:
C
Mn
Si
Cr
Ni
Cu
P
S
0,13 - 0,20
0,60 - 0,90
0,15
0,40
0,25
0,30
0,30
0,04
0,04
Tab. Chemické zloženie základného materiálu C16E
Mechanické vlastnosti ocele: Remin = 235 MPa, Rm = 390 MPa, A =
26%. Z daného materiálu boli pre skúšku adhézie povlakov podľa STN
EN 582vyrobené skúšobné vzorky valcového tvaru s priemerom 25 mm.
Povlaky boli aplikované vždy na čelo valcovej vzorky. Predúprava základného materiálu bola realizovaná pneumatickým tryskaním hnedým
korundom zrnitosti 1,12 mm, tlak vzduchu 0,5 MPa. Drsnosť základného
materiálu po predúprave tryskaním bola Ra=15,13 µm, Rz 95,39µm.
Povrch bol tvorený množstvom zásekov, ktoré zväčšili kontaktnú plochu,
čo vytvorilo vhodné podmienky pre vznik pevných mechanických zakotvení medzi povlakom a substrátom, obr.1.
Obr. 1 Profilograf základného materiálu preduraveného tryskaním
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 13
Materiály povlakov:
1. MvZr (ZrSiO4 deponovaný na medzivrstvu NiCr)
2. Zr6NiCr (zmes ZrSiO4 + 6 obj. % NiCr, deponované priamo na
substrát)
3. Zr12NiCr (zmes ZrSiO4 + 12 obj. % NiCr, deponované priamo na
substrát)
4. Zr16NiCr (zmes ZrSiO4 + 16 obj. % NiCr, deponované priamo na
substrát)
Povlak 1 bol dvojvrstvový: medzivrstva NiCr bola aplikovaná plameňom a povlak ZrSiO4 bol aplikovaný plazmou s vodnou stabilizáciou
oblúka. Ostatné (zmesné) povlaky boli pripravené experimentálne zmiešaním NiCr a ZrSiO4 v práškovom stave v uvedenom pomere s cieľom
zvýšiť húževnatosť povlaku a lepšie kompenzovať dilatačné zmeny substrátu bez potreby aplikácie medzivrstvy. Aplikované boli tiež plazmou
s vodnou stabilizáciou oblúka.
Charakteristika materiálov povlakov:
ZrSiO4– kremičitan zirkoničitý, kremičitý minerál tvoriaci drobné tetragonálne kryštáliky s vysokým indexom lomu. Používa sa ako prísada do
zliatiny a ako ohňovzdorný materiál. Vyznačuje sa dobrou odolnosťou
voči korózii v roztavených kovoch a to aj v kyslých troskách farebných
kovov. Povlak je charakteristický nízkou tepelnou rozťažnosťou a má
pomerne vysoké hodnoty priľnavosti bez medzivrstvy a vysoký koeficient
tepelnej akumulácie. Základné vlastnosti materiálu: merná hmotnosť 4,6
-3
- 4,7 g.cm , teplota tavenia 2200 °C, tvrdosť 760 HV, koeficient tepelnej
-6 -1
rozťažnosti CTE(20-850) = 6,8.10 K .
NiCr - sa vyznačuje vysokou odolnosťou voči korózii, nikel vytvára s
chrómom početné zliatiny. Chróm zvyšuje odolnosť proti oxidácii a korózii vytváraním vrstvy Cr2O3 na povrchu. Medzivrstva NiCr poskytuje
ochranu základného materiálu proti koróznemu účinku plynov, vyrovnáva
koeficient teplotnej rozťažnosti podložky a keramickej vrstvy. Základné
-3
vlastnosti materiálu: merná hmotnosť 8,3 – 8,4 g. cm , tvrdosť 160 – 200
-6 -1
HV, koeficient tepelnej rozťažnosti CTE(20-400) = 12 – 14.10 K , max.
teplota použitia do 900 - 1000ºC.
Priemerné hodnoty hrúbok jednotlivých povlakov sú uvedené v tab.2:
Tab. 2 Hrúbky aplikovaných povlakov
Názov povlaku
Hrúbka vrstvy [µm]
Zr6NiCr
195,2
Zr12NiCr
175,2
Zr16NiCr
124,7
MvZr
132,4
Vzhľad povlakov po aplikácii je uvedený na obr.2:
Obr. 2 Vzhľad povrchov po aplikácii, zv.10
Mikrotvrdosť základného materiálu a jednotlivých povlakov vo východiskovom stave je uvedená v tab.3:
Tab. 3 Mikrotvrdosť základného materiálu a povlakov
Základný materiál
154,3HV 0,05
MvZr
789HV 0,05
Zr6NiCr
572HV 0,05
Zr12NiCr
499,3HV 0,05
Zr16NiCr
462,6HV 0,05
Medzivrstva
146,6HV 0,05
Mikrotvrdosť ZrSiO4 s prísadou NiCr je nepriamo úmerná objemu pridávaného NiCr, ktorý sa v štruktúre povlaku strieda s časticami ZrSiO4.
Na obr.3 je možné vidieť lomovú plochu povlaku tvoreného, resp. ZrSiO4, kde je zreteľná typická lamelárna štruktúra, tvorená jednotlivými splatmi
rôznej veľkosti a tvaru.
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 14
MvZr
Zr6NiCr
Zr12NiCr
Zr16NiCr
Obr. 3 Vzhľad lomových plôch jednotlivých povlakov, REM
Stavba povlakov je značne heterogénna. Je to dané pravdepodobne vyšším pretavením častíc niklu ktoré vytvárajú nepravidelné útvary s množstvom
odstrekov v procese letu, ako ich väčšou kinetickou energiou z dôvodu väčšej hmotnosti častíc oproti časticiam jednotlivých druhov keramiky.
S cieľom zistiť správanie sa uvedených povlakov v podmienkach s vysokou teplotou boli povlaky exponované v elektrickej komorovej peci podľa nasledovného režimu:
•
ohrev vzoriek v rozmedzí teplôt 900-950°C,
•
výdrž v peci po dobu 20 minút,
•
ochladzovanie vzoriek na teplotu okolia voľne na atmosferickom vzduchu
Po 10 tepelných cykloch bol vzhľad povlakov nasledovný, obr.4:
Obr.4 Vzhľad povlakov po 10 tepelných cykloch
Grafické znázornenie zmeny priľnavosti vplyvom tepelného zaťažovania povlakov po jednotlivých cykloch je uvedené na obr.5:
Z výsledkov vyplýva, že adhézia povlaku ZrSiO4 na medzivrstve NiCr
bola porovnateľná s adhéziou zmesných povlakov (s prídavkom NiCr)
aplikovaných bez medzivrstvy. To naznačuje, že je možné nahradiť
osobitne aplikovanú medzivrstvu technológiou plameňového striekania
prídavkom NiCr do keramického prášku a aplikovať ich naraz, jednou
technológiou, čo zlepší ekonómiu tvorby takýchto povlakov. Túto adhéziu
si kompozitné povlaky zachovávajú aj v priebehu tepelného cyklického
zaťaženia (do 10. cyklov).
V tab.4 sú popísané typy lomov príslušných povlakov, ktoré nastali po
odtrhovej skúške po 10 tepelných cykloch (vľavo je hodnotený protikus
a vpravo vzorka s povlakom).
Obr. 5 Zmena adhézie povlakov po tepelných cykloch
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 15
Tab. 4 Vzhľad lomovej plochy a typ lomu po 10. tepelnom cykle
MvZr
Zr6NiCr
Zr12NiCr
Zr16NiCr
Z pozorovania lomových plôch jednotlivých povlakov so zreteľom na
namerané hodnoty adhézie je možné povedať, že v prípade Zr6NiCr
došlo k lomu zväčša v povlaku. Priľnavosť tohto povlaku je limitovaná
vnútornou kohéznou pevnosťou samotného povlaku.
U povlakov Zr12NiCr a Zr16NiCr bola súdržnosť povlaku lepšia
a k lomu dochádzalo väčšinou medzi lepidlom a protikusom, alebo medzi
lepidlom a povlakom.
U jediného povlaku s medzivrstvou (MvZr) dochádzalo k lomu
v medzivrstve, alebo medzi lepidlom a povlakom či protikusom. Súdržnosť samotného povlaku bola dobrá.
ZÁVER
Na základe experimentov je možné povedať, že prídavok kovovej
zložky (NiCr) do povlaku ZrSiO4 sa prejavil zvýšením húževnatosti výsledného povlaku. Z porovnania koeficientov teplotnej rozťažnosti oboch
zložiek povlaku vyplýva, že väčší koeficient má NiCr zložka pri súčasnej
pomerne vysokej ťažnosti (20-35%), čo sa pri tepelnom namáhaní povlakov mohlo prejaviť tak, že NiCr kompenzoval tepelné dilatačné rozmerové zmeny keramických splatov.
Okrem priľnavosti je však potrebné zistiť vplyv tepelného cyklického
zaťažovania na odolnosť uvedených povlakov voči opotrebeniu (najmä
abrazívnemu, erozívnemu), ktoré je tiež častým zaťažujúcim faktorom pri
prevádzke žiarovo striekných keramických povlakov.
Poďakovanie
Príspevok vznikol v rámci riešenia grantového vedeckého projektu
VEGA č. 1/0510/10.
Literatúra:
[1] MATEJKA D., BENKO B.: Plazmové striekanie kovových
a keramických práškov, Alfa , Bratislava, 1988.
[2] Západočeská
univerzita
v Plzni.Žiarové
nástreky.
[online].[citované
22.11.2010].
Dostupné
na
internete:
http://www.kmm.zcu.cz/CD/content/13.html
[3] GUZANOVÁ A., BREZINOVÁ J., VIŇÁŠ J., ÁBEL M.: Hodnotenie
vybraných vlastností žiarovo striekaných keramických povlakov.
In: Transfer inovácií, 17 (2010), s.42-49.
[4] JANKURA D., DRAGANOVSKÁ D.: Aplikácia keramických povlakov technológiou žiarového nanášania. In: Transfer inovácií, 17
(2010), s.63-67.
[5] JAKUBOV M: Analýza procesov tvorby keramických povlakov
technológiou žiarového striekania plazmou: Dizertačná práca. TU
Košice, 2003
INZERCE
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 16
Honeywell Aerospace Olomouc s.r.o.
se sídlem v Hlubočkách – Mariánském Údolí u Olomouce se zabývá výrobou a opravou plechových a žárových dílů leteckých turbínových motorů z nerezavějících ocelí a speciálních slitin (hliníkových, niklových,
kobaltových a titanových), které jsou dodávány pro většinu motorů a energetických jednotek společnosti
Honeywell. Naše komponenty tak naleznete v mnoha dopravních letadlech typu Boeing a Airbus,
v helikoptérách, v obchodních letadlech typu Dassault Falcon, Cezena Citation a dalších letadlech.
VZLÉTNĚTE S NÁMI! DO NAŠEHO TÝMU ENGINEERING & TECHNOLOGY HLEDÁME NOVÉHO KOLEGU/NOVOU KOLEGYNI NA POZICI:
MATERIÁLOVÝ A PROCESNÍ INŽENÝR, SPECIALIZACE: GALVANICKÉ PROCESY Co bude Vaší pracovní náplní:
¾
¾
¾
¾
¾
¾
poskytování technické podpory v oblasti své specializace dodavatelské základně a výrobním závodům Honeywell v regionu C&EE
schvalování nových procesů u stávajících a nově vyvíjených
dodavatelů v rozsahu své specializace
provádění udržovacích auditů u stávající dodavatelské základny na zajištění shody procesů s požadavky
služební cesty k dodavatelům a do výrobních poboček Honeywell v regionu C&EE, v případě potřeby i do jiných regionů, ačkoli hlavní část podpory bude zaměřena na Honeywell
Aerospace Olomouc
spolupráce s kolegy z jiných poboček Honeywell a jejich dodavatelskou základnou
rozvíjení specializace o další procesy
Co od Vás očekáváme:
¾
¾
alespoň 2 roky praxe v oblasti galvanických procesů
schopnost řešit technické aspekty procesů na všech úrovních
řízení: řešení problémů, zlepšování procesů, zajištění shody
výrobků s požadavky
¾
¾
¾
¾
¾
všeobecný přehled v oblasti materiálů, procesů a jejich aplikací
znalost nástrojů zlepšování procesů (štíhlá výroba, 6sigma
atd.) výhodou
zájem rozšiřovat své znalosti o další výrobní procesy
velmi dobré komunikační dovednosti v českém i anglickém
jazyce, orientace na týmovou práci
ochota k služebním cestám
Co Vám nabízíme:
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
profesní rozvoj v zázemí stabilní mezinárodní společnosti
každodenní využití znalosti anglického jazyka
jazykové a jiné vzdělávací kurzy
příjemné a moderní pracovní prostředí
týden dovolené navíc
příspěvek na penzijní připojištění
výhodné telefonní tarify
dotované stravování v místní kantýně
Vaše CV v anglickém jazyce prosím posílejte na: [email protected]
Registrován pod ISSN 1801-707X
Elektronický časopis je uchováván a archivován v rámci projektu WebArchiv Národní knihovny a je poskytnutý k Online přístupu Internetovým
uživatelům.
Redakce elektronického časopisu POVRCHOVÁ ÚPRAVA
Ing. Ladislav Pachta, Hradec Králové, tel.: 495 215 297, mobil: 603 438 923, E-mail: [email protected]
Přihlášení k zasílání elektronického časopisu a prohlédnutí nebo stažení jednotlivých vydání je možno z http://www.povrchovauprava.cz.
Copyright © 2003 - 2011, IMPEA s.r.o., Hradec Králové
Listopad 2011
povrchová úprava (http://www.povrchovauprava.cz)
strana 17
Download

povrchová úprava