PL B1. Sposób wytwarzania powłoki kompozytowej ulepszającej robocze powierzchnie elementów obciążanych mechanicznie

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. C23C 4/131 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób wytwarzania powłoki kompozytowej ulepszającej robocze powierzchnie elementów obciążanych mechanicznie (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 24/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/19 (73) Uprawniony z patentu: PROTECH SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Zator, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ARTUR WYPYCH, Poznań, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Andrzej Fus PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania powłoki kompozytowej ulepszającej robocze powierzchnie elementów obciążanych mechanicznie, w szczególności prowadnic ślizgowych, czopów walców i walców giętarek blach utwardzonych. Różne sposoby nanoszenia różnych powłok na materiał rodzimy zaczęto realizować z początkiem XX w. [Szulc T., Notatki z historii natryskiwania termicznego, Przegląd Spawalnictwa nr 6/2013], Literatura na ten temat jest bardzo szeroka. Szeroką bibliografię podaje T. Hejwowski [Hejwowski T., Nowoczesne powłoki nakładane cieplnie odporne na zużycie ścierne i erozyjne, Pol. Lubelska, Lublin, 2013]. W Metody natryskiwania cieplnego, [Miszczok J. i in., Pol. Śląska, WI-MiM] omówiono różne metody natryskiwania cieplnego. Norma PN-EN 657 podaje definicję natryskiwania cieplnego jako proces, w którym materiał powłokowy jest nagrzewany do stanu plastycznego lub ciekłego wewnątrz lub na zewnątrz pistoletu do natryskiwania, a następnie rozpylany i nanoszony na przygotowaną powierzchnię, przy czym powierzchnia ta nie jest nadtapiana. Natryskiwanie cieplne jest grupą metod, w których stopiony lub ciastowaty materiał powłoki jest nanoszony na powierzchnię wcześniej przygotowanego podłoża. Na powłoki stosuje się czyste metale, stopy metali, ceramiki (tlenki, węgliki, azotki, borki i niektóre szkła), związki metaliczne (siarczki, krzemki, cermetale, związki międzymetaliczne), niektóre materiały polimerowe (epoksydy, nylon, teflon i inne). Drut lity lub proszkowy, pręt lub proszek materiału pokrycia jest umieszczany w płomieniu gazowym, łuku elektrycznym lub plazmowym, gdzie następuje jego stopienie i rozdrobnienie przez strumień gazu, takiego jak argon, azot, lub sprężone powietrze albo w płomieniu gazowym. Strumień gazu porywając ciekłe cząstki o średnicy 0,01 0,05 mm kieruje je na powierzchnię pokrywanego elementu, o którą uderzają, chłodzą się na niej i łączą się z nią. Wykorzystując charakterystyczne wartości współczynnika rozszerzalności temperaturowej materiałów powłokowych, dochodzi do zakleszczania się drobin na rozwiniętym podłożu. W kontakcie z podłożem drobiny te dopasowują się do jego kształtu i kurczą się stygnąc z dużą szybkością. Powstający skurcz cieplny i zmniejszenie objętości drobin dopasowanych do kształtu podłoża prowadzą do mechanicznego zakleszczenia się ich i trwałego osadzenia na powierzchni podłoża. W metodzie natryskiwania łukowego głównymi mechanizmami odpowiedzialnymi za przyczepność powłoki jest mechaniczne zakleszczanie oraz, ze względu na energię strumienia natryskowego, adhezja. Na podłoże przekazywane jest niewiele ciepła, w wyniku czego jego temperatura podnosi się jedynie do C. Natryskiwanie cieplne nie powoduje zatem zmian strukturalnych lub odkształcenia plastycznego podłoża, a tego typu pokrycia mogą być między innymi stosowane do cienkich i precyzyjnych elementów oraz do materiałów podatnych na oddziaływanie ciepła, np. do materiałów polimerowych. Natryskiwana powłoka ma strukturę warstwową o różnej koncentracji porów, która może dochodzić nawet do 20%. Grubość powłok jest na ogół większa niż grubość otrzymywana innymi technikami powlekania powierzchni i zwykle mieści się w przedziale 0,05 2,5 mm, chociaż może sięgać do 12 mm. Uzyskiwane powłoki mogą być również cieńsze niż w przypadku pozostałych metod. Natryskiwanie łukowe jest najtańszym procesem natryskiwania cieplnego. Badania nad powłokami natryskiwanymi cieplnie prowadzone są w wielu ośrodkach naukowych [np.: Kurzyna Z., Kształtowanie powierzchni wewnętrznych cylindrów technologią natryskiwania cieplnego metali, Pol. Rzeszowska, Rzeszów,]. Doświadczalnie stwierdzono, że grubość powłoki natryskiwanej łukowo wynosi około 0,2 2 mm, porowatość około 5Ř 10%, zawartość tlenków do 10%. Największy wpływ na porowatość powłoki ma ciśnienie i wydajność gazu jak również odległość palnika od powierzchni natryskiwanej. Małe wymiary rozpylonych cząstek ograniczają nagrzewanie podłoża, którego temperatura nie przekracza 100 C. Przy natryskiwaniu powłok stalowych należy unikać powstawania tlenków Fe2O3, które są materiałem ściernym. Przy wysokich temperaturach natryskiwania może dochodzić do wypalania niektórych składników materiału. Podczas natryskiwania łukowego stali ubywa do 45% węgla i do 50% krzemu i manganu [Szulc T., Termiczne natryskiwanie warstw jako technologia zwiększania trwałości oraz zakresu zastosowania maszyn i konstrukcji, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, R. 45, nr 5, Inst. Spawalnictwa, Gliwice 2001].

3 PL B1 3 W Technologie natryskiwania cieplnego warstw powierzchniowych [ Open Access Library, Vol. 5/2011] omówiono różne metody natryskiwania cieplnego, zwłaszcza natryskiwania laserowego. Na powłoki stosuje się następujące materiały: czyste metale, stopy metali, ceramiki (tlenki, węgliki, azotki, borki i niektóre szkła), związki metaliczne (siarczki, krzemki, cermetale, związki międzymetaliczne), niektóre materiały polimerowe (epoksydy, nylon, teflon i inne). Powłoki z tych materiałów nakłada się na podłożu z materiałów znacznie mniej kosztownych lub łatwiej dostępnych niż powłoka. Pokrycia natryskiwane cieplnie zyskały liczne zastosowania praktyczne, a wśród nich zapewniające: ochronę przeciwkorozyjną wewnętrzne powierzchnie kotłów mogą być pokrywane stopami wysokochromowymi w celu zwiększenia ich żaroodporności i odporności na korozję; utwardzanie powierzchniowe stosowane gdy wymagana jest mniejsza grubość niż możliwa do uzyskania przez napawanie; typowymi zastosowaniami są cylindry silników samochodowych, pierścienie tłokowe, elementy maszyn tekstylnych, elementy pomp i łożysk; naprawę ubytków powierzchniowych powierzchnie uszkodzone w wyniku wad technologicznych lub w trakcie eksploatacji mogą być regenerowane przez uzupełnienie ubytków. Szerokiemu zastosowaniu natryskiwania cieplnego sprzyja również wykorzystanie ostatnio do tego procesu nowoczesnych urządzeń łukowych, umożliwiających podniesienie jakości powłok i istotne obniżenie kosztów nakładania. Poniższa tablica przedstawia porównanie podstawowych metod natryskiwania cieplnego (opracowanie według danych E.P. Degarmo, J.T. Blacka i R.A. Kohsera oraz A. Klimpla) W celu porównania różnych metod natryskiwania zestawiono poniżej ich parametry.

4 4 PL B1 Wyniki badań powłok węglikowych [ M.W. Richert i in., Badania warstw nanoszonych metodami natrysku termicznego, Inżynieria materiałowa Vol. 32, nr 4/2011, Wyd. SIGMA-NOT] wykazały, że największą mikrotwardość wśród badanych powłok natryskiwanych (plazmowo) wykazały powłoki węglikowe WC-Co oraz Cr3C2-NiCr, a także mieszaniny powłok węglikowych z niewielkim dodatkiem materiału kompozytowego. Osiągnięty poziom mikrotwardości tego typu powłok mieścił się w zakresie HV = , przy czym największą mikrotwardością charakteryzowały się powłoki z węglikiem chromu HV = 950. Mieszanina WC-Co + 5% NiCrSiB wykazała mikrotwardość zbliżoną do mikrotwardości powłok węglikowych ( HV = 830). Badania składu fazowego przeprowadzone metodą rentgenowską ujawniły częściowe odwęglenie powłok. Świadczy o tym występowanie węglików Cr7C3 oprócz natryskiwanego węglika Cr3C2 i węglików W2C oprócz natryskiwanego węglika WC. Stwierdzono, że podczas natrysku plazmowego, jak również natrysku metodą HVOF faza Cr3C2 roztapia się powyżej 3500 C (temperatura topnienia grafitu). Wtórne krzepnięcie roztopionych kropel natryskiwanego materiału ponownie przekształca je w stałą fazę Cr3C2, jednakże w trakcie szybkiego oziębiania nierównowagowe warunki krzepnięcia prowadzą do zmian fazowych. Zdaniem autorów, stwierdzenie w składzie fazowym powłok oprócz natryskiwanych węglików Cr3C2 i WC także węglików o mniejszej zawartości węgla: Cr7C3 i W2C sugeruje możliwość zmian twardości. Powłoki wykonane z proszku na bazie kobaltu zapewniają odporność na korozję w wysokich temperaturach oraz wysoką odporność na zużycie erozyjne, na bazie chromu zapewniają odporność na zużycie przez tarcie, kawitację i erozją metali w temperaturach C, na bazie wolframu zapewniają odporność na zużycie przez tarcie w temperaturach do 500 C, na bazie niklu zapewniają wysoką przyczepność do podłoża, żaroodporność i odporność na korozję. Przed natryskiwaniem przygotowuje się powierzchnię podłoża poprzez piaskowanie, zwykle sprężonym strumieniem wody z domieszką ścierniwa tak zwana obróbka hydrościerna, która nie uszkadza struktury materiału podłoża, a po spłukaniu suszy się element natryskiwany w suszarce. W natryskiwaniu łukowym rolę elektrod pomiędzy którymi dochodzi do wyładowania pełni para drutów z materiału przewodzącego elektrycznie, litych lub proszkowych podawanych z taką samą prędkością. Sprężone powietrze wprowadzone centralnie w obszar łuku rozpyla stopione drobiny metalu. Druty pełnią rolę elektrod pomiędzy którymi dochodzi do wyładowania i jarzenia łuku elektrycznego między końcówkami dwóch drutów podawanych równomiernie do urządzenia. Średnica drutu to typowo 2 5 mm, cząstki mogą osiągać prędkości do 150 m/s, a temperatura w łuku może osiągać 6100 C przy prądzie 280 A. Napięcie łuku wynosi typowo V. Stopiony materiał jest atomizowany sprężonym gazem i przyspieszany w kierunku podłoża. Cząstki materiału uderzając w podłoże, gwałtownie chłodzą się i zestalając się tworzą powłokę. Ponieważ temperatura podłoża pozostaje niska, zapobiega to jego uszkodzeniom, odkształcaniu i zmianom składu chemicznego. Nie zawsze jednak jest to pożądane, nakładanie gorącej warstwy na zimne podłoże prowadzi do generacji większej ilości naprężeń podczas stygnięcia. Z tego powodu czasem podczas natryskiwania łukowego używa się dodatkowego palnika do grzania podłoża. Wysoka temperatura łuku może powodować większe wypalanie węgla i składników stopowych zawartych w stali niż przy natryskiwaniu płomieniowym, a zwłaszcza zmiany morfologii wprowadzanych strumieniem proszków i topionych w wysokiej temperaturze. Uzyskuje się warstwy o porowatości 10 20%, o grubości zwykle 0,1 1,5 mm. W konwencjonalnym wariancie natryskiwania łukowego stosowane są materiały powłokowe w postaci drutów litych i proszkowych. Obydwa rodzaje drutów występują w znormalizowanych zakresach średnic, przy czym, druty proszkowe mogą mieć osłonkę rdzenia w postaci rurki lub walcowanej taśmy. Natryskiwanie powłok za pomocą drutów proszkowych jest wszechstronne z uwagi na możliwość kształtowania właściwości powłok poprzez wykorzystywanie warunków termodynamicznych panujących w strumieniu natryskowym. Sprzyjają one zachodzeniu reakcji między składnikami rdzenia drutu lub składnikami rdzenia i osłonką rurkową lub z taśmy. W porównaniu z materiałem w stanie dostawy, powłoka może zawierać nowe związki lub fazy powstałe w wyniku odziaływania ciepła w strumieniu natryskowym, umożliwiającego zachodzenie procesów metalurgicznych. Obecność w powłoce nowopowstałych tworów mikrostrukturalnych zmienia właściwości użytkowe powłok w kierunku wzrostu wartości parametrów określających odporność na zużycie w środowisku pracy.

5 PL B1 5 Do natryskiwania łukowego można stosować zarówno druty pełne, wykonane z danego stopu metalu, jak również druty proszkowe zawierające w otulinie stalowej mieszaninę proszków metali czy nawet dodatek węglików. Możliwe jest również natryskiwanie z wykorzystaniem dwóch drutów wykonanych z różnych materiałów. Własności użytkowe wytworzonych w ten sposób powłok są wypadkową własności zastosowanych materiałów. Powłoki wytworzone techniką natryskiwania łukowego są zwykle gęstsze i wytrzymalsze niż naniesione natryskiwaniem płomieniowym. Niskie koszty, duża prędkość nanoszenia i efektywność sprawiają, że natryskiwaniem łukowym można pokrywać duże powierzchnie. Wadą natryskiwania łukowego jest konieczność stosowania drutów przewodzących elektryczność, a jeśli istnieje potrzeba grzania podłoża podczas nanoszenia trzeba stosować osobne źródło ciepła. Oprócz drutów z jednolitych metali i stopów stosuje się druty złożone z rdzenia i płaszcza (np.: WC-W2C w powłoce Co), zwykle płaszcz ma 50-cio % udział w kompozycji. W wyniku przeprowadzonych badań [Milewski W. i in. Wpływ rodzaju układu rozpylającego i sposobu natryskiwania na koszty wykonania powłok natryskiwanych łukowo, Przegląd Spawalnictwa, Volume: R. 84, nr 9, 2012] omówiono wyniki badań wpływu odległości natryskiwania, kąta natryskiwania, napięcia łuku, ciśnienia powietrza rozpylającego, rodzaju materiału powłokowego oraz rodzaju układu rozpylającego w pistoletach łukowych na wielkość strat materiału powłokowego, a więc koszty materiałowe. Badania wykonane zgodnie z normą PN-EN ISO wykazały, że przy nadmiernym zwiększeniu odległości natryskiwania koszty materiałowe mogą wzrosnąć nawet dwukrotnie. Z opisu WO A1 znana jest sposób uzyskiwania na podłożu materiału rodzimego żelaznej powłoki z kropelek stopionego drutu łukiem elektrycznym. Sposób obejmuje: etap formowania pierwszej natryskiwanej żelaznej powłoki na podłożu, gdzie drutem do natryskiwania łukowego jest pierwszy drut zawierający żelazo i 0,03 do 0,10% masy węgla przy użyciu sprężonego gazu, który jest gazem obojętnym, oraz etap formowania drugiej natryskiwanej żelaznej powłoki na pierwszą natryskiwaną żelazną powłokę, gdzie drutem do natryskiwania łukowego jest drugi drut zawierający żelazo i 0,03 do 0,10% masy węgla przy pomocy sprężonego gazu zawierającego 10 do 21% objętości tlenu. W opisie PL A1 ujawniony jest sposób, w którym oczyszczoną wewnętrzną powierzchnię płaszcza i dennic zbiornika pokrywa się warstwą metalizacji grubocząsteczkowej do wysokości 300 płaszcza poniżej włazu, a warstwę metalizacji grubocząsteczkowej oraz pozostałą powierzchnię od góry płaszcza i dennic pokrywa się warstwą metalizacji drobnocząsteczkowej. Warstwę metalizacji grubocząsteczkowej oraz warstwę metalizacji drobnocząsteczkowej, uzyskuje się przez natryskiwanie łukowe metali lub stopów metali. Cząsteczki natryskiwanego ciekłego metalu, rzucane są na metalizowaną powierzchnię z prędkością od m/s, przez co uzyskuje się cząsteczki prawie o jednakowych wymiarach w granicach od 0,05 do 0,10 mm oraz stopień wypełnienia formowanej warstwy metalizacji grubocząsteczkowej do 70% objętości. Znane jest łączenie różnych metod cieplnego nanoszenia powłoki ochronnej dla uzyskania zadowalającego efektu. Rozwiązanie znane z opisu zgłoszeniowego PL A1 dotyczy zastosowania dwuwarstwowej powłoki ochronnej na rurowych ekranach komór paleniskowych. W opisie ujawniono składniki warstwy pierwszej nakładanej metodą łukową lub płomieniową o grubości korzystnie od 400 do 500 m, a także składniki warstwy drugiej, nakładanej metodą plazmową lub metodą naddźwiękową HVOR o grubości korzystnie od 200 m do 300 m. Sposób wytwarzania powłok na elementach wykonanych z materiałów przewodzących energię elektryczną znany jest z opisu zgłoszeniowego PL387176A1. Polega on na tym, że w pierwszym etapie przygotowuje się podłoże, w drugim etapie nanosi się na podłoże dowolną metodą natryskiwania cieplnego, korzystnie płomieniową, powłokę o grubości od 0,05 mm do 5 mm, a w trzecim etapie generuje się łuk elektryczny, doprowadzając potencjał elektryczny do elektrody korzystnie wykonanej z wolframu lub wolframu z dodatkiem toru w granicach od 0,5% do 5%, korzystnie 2 3% oraz do przewodzącego energię elektryczną podłoża z naniesioną powłoką. Następnie przeprowadza się jej przetapianie, przy czym odległość elektrody od powierzchni powłoki wynosi od 1 mm do 5 mm, korzystnie 1,5 mm, natężenie prądu procesu wynosi od 10 A do 500 A, korzystnie 120 A, prędkość przemieszczania się elektrody względem powierzchni powłoki wynosi od 1 mm/s do 20 mm/s, korzystnie 5 mm/s a grubość elektrody wynosi od 1 mm do 5 mm, korzystnie 3,5 mm.

6 6 PL B1 Dla podniesienia trwałości walca hutniczego lub rolki, w opisie zgłoszeniowym PL408099A1 przedstawiono sposób, w którym na przynajmniej część co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, nachylonej pod kątem mniejszym niż 30 w stosunku do osi obrotu walca oraz na co najmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, nachylonej pod kątem większym niż 45 w stosunku do osi obrotu walca, wykonuje się metodą natrysku cieplnego powłoki trudnościeralne z materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, o grubości do 4 mm, korzystnie od 0,03 mm do 0,5 mm. Przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, nachylonej pod kątem większym niż 45 w stosunku do osi obrotu walca, grubość nakładanej powłoki trudno ścieralnej z materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, jest większa co najmniej 10%, korzystnie od 50% do 100%, od grubości powłoki trudno ścieralnej na powierzchniach roboczych, nachylonych pod kątem mniejszym niż 30 w stosunku do osi obrotu walca. Podobnie w opisie zgłoszeniowym PL408100, też przedstawiony jest sposób podniesienia trwałości lub regeneracji walca hutniczego poprzez połączenie natryskiwania z napawaniem. Polega on na tym, że na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, nachylonej pod kątem mniejszym niż 30 w stosunku do osi obrotu walca, wykonuje się powłokę trudnościeralną poprzez natryśnięcie metodą natrysku cieplnego co najmniej jednej warstwy z materiału, zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, o łącznej grubości do 3 mm, korzystnie od 0,03 mm do 0,8 mm, oraz na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, nachylonej pod kątem większym niż 45 w stosunku do osi obrotu walca, wykonuje się powłokę trudnościeralną poprzez napawanie, korzystnie napawanie laserowe, co najmniej jednej warstwy materiału trudnościeralnego o łącznej grubości od 0,2 mm do 5 mm, korzystnie od 1,2 mm do 2,5 mm i twardości co najmniej 5 HRC, korzystnie HRC, większej od twardości materiału walca, przy czym grubość nakładanej powłoki trudnościeralnej na powierzchniach jest co najmniej o 20% większa, korzystnie 4 6 razy większa od średniej grubości powłoki trudnościeralnej na powierzchniach. Ujawniona w opisie CN A metoda elektrycznego natryskiwania łukowego obejmuje etap wstępnej obróbki materiału podłoża, podgrzewanie, wybranie właściwego napięcia elektrycznego natryskiwania łukowego oraz odpowiedniego strumienia natrysku elektrycznego natryskiwania łukowego i obróbki cieplnej. Materiał podstawowy zawiera stal węglową taką jak Q235 i stop magnezu. Wstępna obróbka powierzchni materiału podstawowego obejmuje oczyszczanie powierzchni i piaskowanie. Napięcie elektryczne natryskiwania łukowego wynosi 20V 50V, a natężenie prądu w elektrycznym natryskiwaniu łukowym wynosi A. Rozpylanym materiałem jest drut aluminiowy lub stal 3Cr13, odległość natryskiwania wynosi od 130 mm do 200 mm. Temperatura obróbki wstępnej i obróbki cieplnej wynosi do 100 C do 300 C. Metoda ta stosowana jest do natryskiwania powierzchni ze stopu magnezu i zwykłej stali węglowej. W opisie patentowym PL418323A ujawniono skład elektrody proszkowej i sposób natryskiwania łukowego kolejnych warstewek spajanych energią ciśnienia powyżej 5 bar gazu transportującego podawanego z odległości 75 do 85 mm od natryskiwanej powierzchni. Natryskiwanie łukowe drutem rdzeniowym stosowanym do ponownego stopienia ujawnione jest w opisie CN A. Ujawniono w opisie skład procentowy składników sproszkowanego rdzenia. Powłoka po natryskiwaniu łukowym zapewnia średnią twardość na poziomie 530 HV0.1, średnią wytrzymałość spoiwa na poziomie 38 MPa oraz średnią porowatość na poziomie 14,2%. Po ponownym naprawczym przetopieniu średnia twardość powłoki zwiększyła się do poziomu 770 HV0.1 oraz zasadniczo tworzy wiązanie metalurgiczne z podłożem. Po ponownym przetopieniu materiał powłoki ma dobrą odporność na ścieranie, odporność na erozję oraz odporność na obciążenia. Do negatywnych cech procesu natryskiwania cieplnego zalicza się straty materiału użytkowanego do wytwarzania powłok. Część drobin natryskiwanych nie osiada bowiem na materiale podłoża. Cząstki znajdujące się na obrzeżach strumienia natryskowego są gwałtownie chłodzone, mają poza tym mniejszą prędkość i w wyniku tego za małą energię, aby ulec odkształceniu i w konsekwencji tego osadzeniu na powierzchni podłoża. W przypadku materiałów powłok o niskiej temperaturze topnienia, część drobin wyparowuje. Wielkość tych strat wynikających z istoty procesu technologicznego, zależy z jednej strony od temperatury topnienia i parowania materiału powłoki, a z drugiej od metody natryskiwania, rozwiązania kon-

7 PL B1 7 strukcyjnego pistoletu do natryskiwania i warunków natryskiwania, a głównie od odległości natryskiwania. Wielkość strat powstająca wskutek stosowania rożnych materiałów powłok i pistoletów o zróżnicowanej konstrukcji może mieć zatem istotny wpływ na koszty wytwarzania powłoki. Celem wynalazku jest stworzenie sposobu wytworzenia powłoki odpornej na obciążenia mechaniczne, nacisku i tarcia, na rdzeniu ze stali konstrukcyjnej w sposób eliminujący przemiany mikrostrukturalne, zwłaszcza w otoczeniu cząstek węglików. Istota wynalazku W sposobie polegającym na natryskiwaniu powłoki drobinami materiałów powłokowych w postaci drutów, drutów proszkowych i/lub proszków zawierających węgliki metali, rozproszonych w strumieniu natryskowym poprzez łuk elektryczny jako źródło ciepła w gazie transportującym, którą po uzyskaniu pożądanej grubości powierzchnię powłoki kompozytowej poddaje się obróbce cieplnej poprzez przetapianie, po czym mechanicznie doprowadza się ją do wymaganej chropowatości powierzchni roboczej, istotą jest, że strumień I natryskowy ze stopionymi energią łuku elektrycznego drobinami materiałów powłokowych łączy się w odległości (b), względem wylotu z dyszy strumienia I, większej od 0,4 a mniejszej od 0,95 odległości natryskiwania (a), pomiędzy wylotem z dyszy i powierzchnią natryskiwaną, z ciągłym strumieniem II drobin materiałów powłokowych w postaci proszków sferoidalnych węglików w gazie transportującym. Korzystnie podaje się w strumieniu II cząstki w ilości 40 75% wagowych składników powłoki natryskiwanej. Korzystnym efektem stosowania powyższego sposobu jest wytwarzanie powłoki, która w austenitycznej osnowie ma rozproszone twarde cząstki sferoidalne węglików o morfologii proszku użytego do procesu natryskiwania. Nieoczekiwanie okazało się, że połączenie do współbieżnego stosowania sposobów natryskiwania łukowego i natryskiwania cząstkami sferoidalnych węglików tylko podgrzanych w strumieniu natryskowym, i późniejszym przetopieniu natryskiwanej warstwy, pozwoliło stworzyć sposób wytwarzania powłoki zawierającej rozproszone w osnowie austenitycznej twarde cząstki sferoidalne węglików z nielicznymi przypadkowo rozmieszczonymi porami, a także z pożądanym i widocznym poprawnym osadzeniem (adhezją) powłoki na powierzchni materiału rodzimego. Sposobem według wynalazku można uzyskać powłokę o pożądanych własnościach mechanicznych. Zastosowanie węglikowego zbrojenia o dużej twardości w relatywnie miękkiej osnowie nadaje się do zastosowania jako ochrona powierzchni przed zużyciem ściernym w aspekcie współpracujących naciskowo i tarciowo powierzchni metalowych. Ponadto umocnienie powłok poprzez zastosowanie twardych składników węglikowych w postaci sferoidalnej znacząco poprawia trwałość powłoki wierzchniej w warunkach obciążenia mechanicznego z uwagi na najkorzystniejszy ze znanych rozkład naprężeń na elementach kulistych. W tym aspekcie powłokowym naprężenia rozkładają się na całej lub znacznej powierzchni kulistego elementu mikrostrukturalnego. Ponadto sferoidalne składniki mikrostrukturalne wykazując brak nieregularności kształtu, nie wywołują zjawiska rozcinania osnowy pod zewnętrznym obciążeniem mechanicznym. Podczas przetapiania dostarcza się znacznie mniejszą ilość ciepła do powłoki w porównaniu z ciepłem generowanym przez źródło podczas natryskiwania, stąd i temperatura powłoki jest niska i oddziałuje krótkotrwale. Temperatura przetapiania oddziałuje na osnowę i jednocześnie zapewnia zachowanie pierwotnej morfologii i trwałości sferoidalnych cząstek węglików. Przetopienie umożliwia redukcję i zmianę charakteru porowatości w powłoce, zapewnia uzyskanie ciągłości metalurgicznej z podłożem oraz brak porów w najbliższym otoczeniu sferoidalnych cząstek węglików. Porowatość powłoki wraz z pasmami tlenkowymi właściwie zanika, przyjmując postać pojedynczych porów o przypadkowej lokalizacji w powłoce (fig. 2 i fig. 3). Ciągłość metalurgiczna z podłożem daje możliwość nieograniczonego zastosowania powłok z uwagi na wielkość obciążenia mechanicznego powierzchni. Węgliki o niezmienionej morfologii są ściśle otoczone osnową austenityczną o relatywnie korzystnych właściwościach plastycznych, gdzie w nieoczekiwanym przypadku wystąpienia znacznego obciążenia pojedynczych cząstek węglików może dojść do ich przemieszczenia w austenitycznej osnowie. Wówczas tego typu zjawiska występują przy braku pękania zarówno cząstek węglików jak i osnowy i nadal ścisłego przylegania osnowy do całej powierzchni cząstek węglików. Przy zastosowaniu w stopie sferoidalnych cząstek węglików powyżej 40% wagowych, powłoki są zdolne do przenoszenia znacznych obciążeń mechanicznych.

8 8 PL B1 W podobnych warunkach materiałowych oddziaływanie cząstek sferoidalnych węglików z austenityczną osnową i wzajemne oddziaływanie cząstek węglików, w obecności zewnętrznego obciążenia, doprowadza ostatecznie do blokowania dyslokacji i braku możliwości odkształcenia się powłoki przy jednoczesnym zachowaniu dużej trwałości w warunkach obciążenia. Zmniejszona zawartość porów w objętości powłoki zmniejsza, lub całkowicie eliminuje, ryzyko powstania kanałów dwukierunkowej dyfuzji substratów z korozyjnego środowiska pracy do podłoża oraz składników podłoża ponad powierzchnię powłoki, a tym samym znacznie zmniejszone zostało ryzyko powstawania korozji podpowłokowej. Przekrój powłoki w powiększeniu mikroskopowym został przedstawiony na rysunku, w którym Fig. 1 ukazuje schematycznie miejsce mieszania strumieni, Fig. 2 widok przekroju warstwy natryskiwanej zawierającej sferoidalne węgliki, a Fig. 3 ukazuje w przekroju widok poprawnego osadzenia powłoki natryskiwanej na powierzchni materiału rodzimego po przetopieniu. W sposobie, na przygotowaną powierzchnię materiału rodzimego natryskuje się drobiny materiałów powłokowych w postaci drutów, drutów proszkowych i/lub proszków o wielkości m zawierających węgliki metali, rozproszone w strumieniu natryskowym poprzez łuk elektryczny jako źródło ciepła w gazie transportującym. Strumień I natryskowy ze stopionymi drobinami materiałów powłokowych w postaci drutów i/lub drutów proszkowych łączy się w odległości b, względem wylotu z dyszy strumienia I, większej od 0,4 a mniejszej od 0,95 odległości natryskiwania a, pomiędzy wylotem z dyszy i powierzchnią natryskiwaną, z ciągłym strumieniem II drobin materiałów powłokowych w postaci proszków sferoidalnych węglików w gazie transportującym. Korzystnie w strumieniu II podaje się cząstki sferoidalne węglików w ilości 40 75% wagowych składników powłoki natryskiwanej. Po uzyskaniu pożądanej grubości powierzchnię powłoki kompozytowej poddaje się powłokę obróbce cieplnej poprzez przetapianie do osnowy austenitycznej zawierającej cząstki sferoidalne węglików. Najkorzystniej cząstkami sferoidalnymi proszku będą węgliki boru B4C, wolframu WC i /lub tytanu TiC, z ewentualnym dodatkiem konglomeratów z węglikiem chromu Cr3C2, na przykład Cr3C2-NiCr. Przetapianie powłoki najkorzystniej jest prowadzić w temperaturze C. W końcowej operacji, powłokę kompozytową poprzez zastosowanie obróbki mechanicznej doprowadza się do wymaganej chropowatości powierzchni roboczej. Natryskiwanie łukowe powłok za pomocą drutu proszkowego z dodatkowym podawaniem proszku w postaci sferoidalnych węglików do strumienia natryskowego poza oddziaływaniem źródła ciepła, przeznaczone jest do zmiany właściwości powierzchni elementów współpracujących przy siłach nacisku i siłach tarcia, takich na przykład części roboczych maszyn jak obejmy czopów wałów łożyskowanych ślizgowo, powierzchni baryłkowatych wałów giętarek dla blach utwardzonych powierzchniowo, suwaków, prowadnic, itp. W przykładach realizacji sposobu, przygotowano wariantowo materiał rodzimy ( podłoże) poprzez obróbkę ubytkową skrawaniem, obróbkę strumieniowo-ścierną za pomocą ścierniwa w postaci śrutów, korundu lub obróbkę laserową i trawienie. Opcjonalnie do wytworzenia powłoki przygotowano urządzenia do natryskiwania łukowego, wyposażone w zasobnik na materiał powłokowy w postaci drutów, panel sterowania parametrami procesowymi, podajnik drutów, pistolet natryskowy o układzie dyszy zamkniętym lub otwartym z podajnikiem ciągnącym lub bez niego, kanały gazu transportującego z możliwością kontroli ciśnienia w MPa lub natężenia przepływu w 1/min. Do przepływu proszku stosuje się podajniki proszku przesypowe, rolkowe, dyskowe lub ślimakowe z wykorzystaniem dodatkowego przepływu gazu transportującego i z możliwością kontroli natężenia podawania proszku w g/min. Wykorzystano urządzenie o największym natężeniu prądu wynoszącym 400 A wyposażone w inwertorowe źródło prądu z możliwością pracy synergicznej. Zastosowano pistolet z dyszą o układzie zamkniętym i prostymi prowadnicami drutu (nie kątowymi) oraz przewody transportujące o długości 3000 mm. Zastosowano materiał powłokowy w postaci drutu proszkowego i znacznie redukowano odległość natryskiwania do 80 mm pomiędzy łukiem a powierzchnią natryskiwaną, przy jednoczesnym zredukowaniu natężenia prądu natryskiwania do wartości 130 A oraz zastosowano ciśnieniu gazu transportującego o podwyższonej wartość wynoszącej 5,2 bar przy prędkości liniowej natryskiwania wynoszącej 46 m/min.

9 PL B1 9 Stosując elektrodę 1,6 mm i kilkukrotne natryskiwanie uzyskano powłokę o grubości 1,1 1,2 mm. Synergiczne źródło prądu zapewniło stabilność i powtarzalność zastosowanej wariacji parametrów procesowych. Jako gaz transportujący zastosowano powietrze dostarczone z układu sprężającego o mechanizmie śrubowym. Układ wyposażono w filtr wodny, olejowy i osuszacz i uzyskano powietrze o jakości powietrza syntetycznego o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia o około 20 C. Wzrost temperatury wynika z obróbki mechanicznej powietrza. Alternatywnie możliwe jest zastosowanie powietrza syntetycznego. Uzyskano w ten sposób warunki termodynamiczne dla strumienia natryskowego, w którym drobiny docierające do materiału rodzimego, znajdowały się w stanie bliskim cieczy. Stąd zapotrzebowanie na energię kinetyczną strumienia, która zamieniana zostaje na energię odkształcenia plastycznego w czasie uderzania tych drobin w powierzchnię materiału rodzimego jest niewielkie. Drobiny łatwo odkształcają się dopasowując do rozwiniętej powierzchni podłoża, gdzie powłoka ulega zakleszczaniu i procesowi adhezji. Jednak mimo to, zwiększono ciśnienie gazu transportującego do 5,2 bar, przez co wytworzono dużą wartość energii kinetycznej drobin w strumieniu natryskowym. Następnie energia odkształcenia postaciowego zapewnia w dużym stopniu dokładne dopasowanie drobin do kształtu rozwiniętego podłoża. Zastosowano materiał powłokowy w postaci drutu proszkowego, zawierającego składniki z grupy materiałów austenitycznych. Dostarczają one materiału powłokowego stanowiącego osnowę dla twardych sferoidalnych składników węglikowych. Węgliki sferoidalne, wytworzone z udziałem pierwiastków węglikotwórczych dające możliwość uformowania do postaci kulistej o różnej wielkości i dowolną metodą, podawane są za pomocą dodatkowego podajnika proszku. Istnieje możliwość kierowania strumienia gazu transportującego proszek w określone miejsce strumienia natryskowego. Miejsce, gdzie łączy się strumień I natryskowy, ze stopionymi drobinami materiałów powłokowych w postaci drutów proszkowych 4, z ciągłym strumieniem II drobin materiałów powłokowych w postaci proszków w gazie transportującym, w odległości b, względem wylotu 1 z dyszy strumienia I, równej 0,5 odległości natryskiwania a, pomiędzy wylotem 1 z dyszy i powierzchnią natryskiwaną 3, znajduje się w znacznej odległości od strefy oddziaływania źródła ciepła w postaci łuku topiącego druty i jest położone w małej odległości od powierzchni materiału rodzimego. Strumień II łączono ze strumieniem I natryskowym w ceramicznej dyszy, z dyszami wylotowymi 2 strumienia II umieszczonymi w przewężeniu pomiędzy konfuzorem i dyfuzorem, przez którą przepływał strumień I natryskowy. Podobne rozmieszczenie dyszy w strumieniu I natryskowym zapewnia wystarczającą ilości wygenerowanego ciepła pochodzącego od łuku i potrzebnego do stopienia materiałów powłokowych w postaci drutu oraz umocowania materiału w postaci proszku w osnowie powłoki. Ilość ciepła w strumieniu I natryskowym w miejscu łączenia z ciągłym strumieniem II jest na tyle mała, że uniemożliwia występowanie reakcji metalurgicznych między cząstkami węglików w postaci proszku i stopionymi składnikami osnowy. W podobnych warunkach nie dochodzi do utraty kulistego kształtu i zubożenia cząstek sferoidalnych węglików. Powyższe jest istotne ze względu na zróżnicowane powinowactwo do węgla składników osnowy, gdyż rozpuszczanie i dyfuzja węgla odbywa się ze zróżnicowaną prędkością z powierzchni sferoidalnych, a to może prowadzić do zaburzenia symetrii kształtu cząstek sferoidalnych węglików. W przykładzie realizacji sposobu, z podajnika podawano w strumieniu II cząstki sferoidalne węglików boru B4C i wolframu WC (50:50%) o przeważającej wielkości 50 m, w ilości 60% wagowych składników powłoki natryskiwanej. Po uzyskaniu grubości powłoki 1,2 mm, przetopiono powłokę kompozytową do osnowy austenitycznej zawierającej cząstki sferoidalne wymienionych węglików w temperaturze 1060 C (- pomiar pirometryczny, błąd 2% wartości wskazanej). W kolejnym doświadczeniu, zastosowano proszek tytanu TiC z dodatkiem konglomeratów z węglikiem chromu Cr3C2 w ilościach i warunkach jak w powyższym przykładzie. Przez zastosowanie natryskiwania łukowego powłok za pomocą drutu proszkowego z dodatkowym podawaniem proszku w postaci sferoidalnych cząstek węglików do strumienia natryskowego poza oddziaływaniem źródła ciepła, z niekonwencjonalnym zastosowaniem dodatkowego podajnika materiału powłokowego w postaci proszku węglikowego uzyskano: podawanie proszku w metodzie natryskiwania łukowego w sposób ograniczający oddziaływanie ciepła strumienia I natryskowego i przez to zachowanie pierwotnej morfologii proszku sferoidalnego w osnowie składników tworzących powłokę,

10 10 PL B1 znaczną odporność na obciążenie mechaniczne w postaci tarcia panującego w układach dociskowych powierzchni walców walcarek, powłok zawierających cząstki sferoidalne węglików w ilości powyżej 40 75% wagowych w stopie osadzonych w relatywnie miękkiej osnowie austenitycznej, możliwość przeprowadzenia operacji przetapiania powłok z zastosowaniem programu temperaturowego zapewniającego brak ingerencji cieplnej w metalurgię osadzenia węglików w osnowie oraz zmianę charakteru pierwotnej postaci porowatości w powłoce do pojedynczych porów przypadkowo rozmieszczonych w powłoce i niezagrażających jej trwałości w warunkach obciążenia użytkowego. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania powłoki kompozytowej ulepszającej robocze powierzchnie elementów obciążanych mechanicznie, w którym na przygotowaną powierzchnię materiału rodzimego natryskuje się drobiny materiałów powłokowych podawanych w postaci drutów, drutów proszkowych i/lub proszków zawierających węgliki metali o wielkości m, rozproszone w strumieniu natryskowym poprzez łuk elektryczny jako źródło ciepła w gazie transportującym, po uzyskaniu pożądanej grubości powierzchnię powłoki kompozytowej poddaje się obróbce cieplnej poprzez przetapianie, po czym mechanicznie doprowadza się ją do wymaganej chropowatości powierzchni roboczej, znamienny tym, że strumień I natryskowy ze stopionymi energią łuku elektrycznego drobinami materiałów powłokowych łączy się w odległości (b), względem wylotu z dyszy strumienia I, większej od 0,4 a mniejszej od 0,95 odległości natryskiwania (a), pomiędzy wylotem z dyszy i powierzchnią natryskiwaną, z ciągłym strumieniem II drobin materiałów powłokowych w postaci proszków sferoidalnych węglików w gazie transportującym. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podaje się w strumieniu II cząstki w ilości 40 75% wagowych składników powłoki natryskiwanej.

11 PL B1 11 Rysunki

12 12 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)