Badania właściwości powłok Zn i Al natryskiwanych łukowo na stal S235JR

Transkrypt

1 Tomaz Chmielewki Dariuz Golańki Januz Bazela Grzegorz Gontarz Badania właściwości powłok i natrykiwanych łukowo na tal S235JR invetigation of the propertie of zn and al coating depoited by arc praying onto 235Jr teel ubtrate Strezczenie W artykule przedtawiono wyniki badań właściwości powłok cynkowych i aluminiowych natrykiwanych łukowo na podłoże ze tali S235JR wg Pn-En Powłoki natrykiwano agregatem Metalliation S. W ramach prowadzonych badań charakteryzowano mikrotrukturę powłok, ich twardość i przyczepność do podłoża. W poób pośredni określono poziom naprężeń włanych w powłokach, dokonując precyzyjnego pomiaru ugięcia próbek i wyznaczenia na tej podtawie wartości naprężenia średniego. Słowa kluczowe: natrykiwanie cieplne, powłoki anodowe abtract The article preent reult of reearch of the propertie of and coating depoited by arc praying method onto a ubtrate of S235JR teel according to Pn-En In thi tudy the microtructure of the coating wa characterized together with their hardne and adheion to the ubtrate. In an indirect way, the level of coating reidual tree were calculated, through the precie meaurement of ample deflection that wa ued to calculate the tre magnitude. Keyword: thermal praying, anodic coating Wtęp Powłoki cynkowe i aluminiowe na podłożu talowym tanowią anodowy protektor podłoża przed korozją elektrochemiczną. Wytwarzanie powłok metalowych przez natrykiwanie cieplne, nazywane również metalizacją natrykową, znane jet już od ponad wieku, a prekurorem tej metody w Polce jet Intytut Mechaniki Precyzyjnej w Warzawie. natrykiwanie termiczne od początku wego itnienia jet nieutannie rozwijane, zarówno pod względem toowania nowych źródeł ciepła, kontrukcji urządzeń, jak i modyfikacji materiałów powłokowych. natrykiwanie termiczne cynku i aluminium realizuje ię najczęściej metodą łukową, ewentualnie płomieniową odmianą poddźwiękową. Stoowanie wyokoenergetycznych metod natrykiwania, takich jak płomieniowe naddźwiękowe czy plazmowe, do natrykiwania cynku i aluminium nie znajduje zerokiego zatoowania. Z jednej trony wynika to z relatywnie nikich wartości temperatury topnienia cynku i aluminium, a z drugiej od powłok ochronnych anodowych nie jet oczekiwana wyoka Dr hab. inż. tomaz Chmielewki, prof. PW; dr hab. inż. Dariuz Golańki, prof. PW; mgr inż. Grzegorz Gontarz Politechnika Warzawka; mgr inż. Januz Bazela SciTeeX Sp. z o.o. Autor korepondencyjny/correponding author: t.chmielewki@wip.pw.edu.pl 7

2 przyczepność czy nika porowatość, gdyż ochrona katodowa nie jet od nich zależna. natrykiwanie powłok anodowych na tal jet alternatywą dla ogniowego i galwanicznego cynkowania tali. Ze względu na różne uwarunkowania techniczno-ekonomiczne, natrykiwanie cynku, czy aluminium w celu ochrony katodowej touje ię najczęściej do kontrukcji o znacznych rozmiarach przekraczających gabaryty wanien cynkowniczych (np. przęła motów), a także w przypadku kontrukcji trwale związanych z miejcem ekploatacji lub gdy za wyokie tężenie krzemu i węgla w tali utrudnia cynkowanie ogniowe. natrykiwanie termiczne powłok anodowych ma również tę zaletę, że może być toowane lokalnie, np. w miejcu naprawy poiny czy innego elementu kontrukcji talowej. Ochrona elektrochemiczna metali Metody ochrony elektrochemicznej ą oparte na zmianie potencjału elektrodowego metalu w celu zahamowania lub ograniczenia jego rozpuzczania w środowiku korozyjnym. W zależności od kierunku przeuwania potencjału elektrodowego chronionego metalu do wartości niżzej lub wyżzej (do zakreu paywnego) rozróżniane ą metody ochrony katodowej i anodowej. Cynk i aluminium jako materiały mniej zlachetne w tounku do tali, tj. będące wobec tali anodą, tworzą ochronę katodową. Ochrona katodowa oznacza, że przedmiot poddany ochronie pełnia rolę katody w korozyjnym ogniwie galwanicznym. Potencjał elektrodowy chronionego metalu przeuwa ię w kierunku dodatnim, a więc roztwarzanie (utlenianie) tego metalu jet ograniczone. Metal chroniony jet katodą, na której mogą zachodzić tylko reakcje redukcji. Rozróżnia ię ochronę katodową galwaniczną i elektrolityczną [1 3,10]. Galwaniczna ochrona katodowa nazywana również protektorowa zachodzi bez użycia zewnętrznego źródła prądu. Chroniony przedmiot (tal) jet katodą ogniwa galwanicznego, którego anodę tanowi celowo tracony metal mniej zlachetny (, lub ich topy) zwany protektorem. Protektor, roztwarzając ię, zabezpiecza chroniony przedmiot. Protektorem może być powłoka na metalu chronionym (np. cynk na tali) lub odpowiednio rozmiezczone płyty anodowe. Dobór rodzaju materiału powłoki przeciwkorozyjnej jet uzależniony od środowika, w jakim ma być ekploatowana, a grubość determinuje okre trwałości, jak przedtawiono w tablicy I. Dla środowika kwaśnego touje ię powłoki aluminiowe, a dla środowika o odczynie zaadowym powłoki cynkowe. Elektrolityczna ochrona katodowa ma miejce wówcza, gdy chroniony przedmiot jet katodą ogniwa zailanego prądem tałym z zewnętrznego źródła prądu (zailacza elektrycznego). Pomocnicza anoda jet najczęściej wykonana z materiału nieulegającego roztwarzaniu (Pt, Pb, ni). tablica I. powłok ochronnych z cynku, aluminium i ich topów, natrykiwanych cieplnie na tal, zależnie od warunków ekploatacji i wymaganej twardości wg Pn-H (M powłoka uzczelniana jedną wartwą powłoki malarkiej lub pokryta wielowartwową powłoką malarką) table I. The thickne of the protective coating of and or their alloy, depoited by thermal praying onto the teel ubtrate, depending upon operating condition and the required hardne according to Pn-H (M the prayed coating with additional covering with one or multi-layer of paint coat) Środowiko Atmofera przemyłowa Atmofera morka Woda łodka Woda morka Woda gorąca do 100 C Materiał powłoki Natrykiwanie powłok Minimalna grubość powłoki, Trwałość powłoki, liczba lat >40 15 Mg5 15 Mg5 15 Mg M M 100M M M M 120M M M M M Przebieg proceu natrykiwania cieplnego w zależności od zatoowanej odmiany może być tounkowo proty lub znacznie bardziej komplikowany, niemniej jednak w każdym przypadku prowadza ię do topienia i rozpylenia lub znacznego nagrzania materiału powłokowego, przypiezenia go w trumieniu natrykowym i kierowania na powierzchnię modyfikowanego przedmiotu. W kolejnym etapie dochodzi do uderzenia M M M M M M M M M M M Mg5 Mg5 M M 8

3 rozpędzonych czątek materiału powłokowego w wartwę wierzchnią modyfikowanego materiału i połączenia z nim. Charakterytyczną cechą natrykiwania jet brak nadtopienia podłoża. Stounkowo wyoka energia cieplna i kinetyczna czątek w trumieniu natrykowym umożliwia uzykanie przyczepności powłoki do podłoża. Połączenie powłoki z wartwą wierzchnią podłoża ma charakter złożony i częściowo polega na mechanicznym zaklezczeniu czątek powłoki w nierównościach podłoża, w części na adhezyjnym (wiązania międzycząteczkowe) oddziaływaniu materiału podłoża i powłoki, a niekiedy może mieć lokalnie charakter wiązań atomowych lub być efektem powtania dyfuzyjnej wartwy przejściowej. natrykiwanie termiczne umożliwia wykonywanie powłok różnych metali i topów, które mogą pełnić funkcję ochronną, dekoracyjną lub regeneracyjną [5, 6, 11]. na potrzeby badań zatoowano natrykiwanie łukowe, w którym źródłem ciepła jet łuk elektryczny jarzący ię wobodnie pomiędzy dwoma drutami tanowiącymi materiał powłokowy. Do prawidłowej realizacji proceu niezbędna jet precyzyjna ynchronizacja prowadzenia drutów względem iebie (pouwu) oraz prędkości ich topienia (mocy łuku elektrycznego). Topiony materiał drutów jet rozpylany i przypiezany trumieniem powietrza, tworząc trumień natrykowy. na ryunku 1 przedtawiono chemat pitoletu do natrykiwania łukowego, a na ryunku 2 pokazano jego zczegółową budowę w obzarze topienia drutu. W ramach badań wykonano erię prób natrykiwania łukowego agregatem Metalliation S ochronnych powłok anodowych i. Celem badań było porównanie podtawowych właściwości powłok. Metale natrykiwano na pecjalnie preparowane próbki talowe o grubości 3 mm w kztałcie protokąta (20x30 mm) i koła (ø25 mm). Powierzchnię do natrykiwania przygotowywano na poziomie Sa 2,5 przez śrutowanie pneumatyczne w komorze Blatlux SciTeeX śrutem talowym kruzonym. Przebieg proceu natrykiwania opiano dalej. Do natrykiwania powłoki cynkowej zatoowano drut firmy Metalliation cynkowy o średnicy 2,3 mm, a do natrykiwania powłoki aluminiowej drut aluminiowy firmy Metalliation o średnicy 1,6 mm. W tablicy II zetawiono parametry natrykiwania cynku i aluminium. natrykiwanie cynku i aluminium odbywało ię w porównywalnych warunkach. Parametry natrykiwania dla obu materiałów były zbliżone. Różna średnica drutu, tj. 2,3 mm dla cynku i 1,6 mm dla aluminium, determinowała różną wartość pouwu drutu 1,3 m/min podcza natrykiwania cynku i 8,5 m/min podcza natrykiwania aluminium. tablica II. Parametry natrykiwania powłok i table II. The parameter of arc praying of and coating powłoki Powłoka Powłoka powłoki, /900/ /620/780 napięcie łuku, V natężenie prądu, A Ciśnienie powietrza, bar 4,5 4,5 Pouw drutu, m/min 1,3 8,5 Średnica drutu, mm 2,3 1,6 Ry. 1. Schemat pitoletu do natrykiwania łukowego [8] Fig. 1. The cheme of arc praying gun [8] Temperatura podłoża, ºC Temperatura powłoki po natrykiwaniu Ry. 2. Schemat obzaru topienia drutu w pitolecie do natrykiwania łukowego [4] Fig. 2. The cheme of the melting area of a wire in arc praying gun [4] Ry. 3. natrykiwanie łukowe Fig. 3. Arc praying proce 9

4 Badania metalograficzne Preparatyka zgładów metalograficznych zawierała pobranie próbek, inkludowanie w żywicy epokydowej, zlifowanie na papierach ściernych o ziarnitości: 100,, 360, 500, 800, 1 oraz polerowanie wodną zawieiną 2 O 3 o uziarnieniu 1. Badania metalograficzne zotały wykonane na mikrokopie świetlnym Olympu ze zintegrowanym aparatem cyfrowym, wykorzytującym technikę oberwacji w polu janym. na ryunkach 4 i 5 przedtawiono mikrotruktury powłok aluminium o różnej grubości natrykiwanych łukowo na podłoże talowe S235JR. Powłoki te charakteryzują ię niką porowatością, równomierną grubością na całej oberwowanej powierzchni, dobrze przylegają do podłoża talowego oraz ą ciągłe. na ryunkach 6 i 7 zotały przedtawione mikrotruktury powłok cynkowych natrykiwanych łukowo na podłoże talowe S235JR różniące ię grubością. Zaprezentowane powłoki również charakteryzują ię równomierną grubością na całej oberwowanej powierzchni, dobrze przylegają do podłoża talowego oraz ą ciągłe. natomiat, w przeciwieńtwie do powłok aluminiowych, w granicy międzyfazowej powłoka- -podłoże wytępuje trefa pośrednia charakteryzująca ię wytępowaniem nowej fazy. Ry. 6. Mikrotruktura powłoki o grubości ok. 0,2 mm natrykiwanej łukowo na podłoże talowe S235JR, bez trawienia Fig. 6. The microtructure of coating with a thickne of approximately 0.2 mm, depoited by arc praying onto S235JR teel ubtrate, Ry. 7. Mikrotruktura powłoki o grubości ok. 1,1 mm natrykiwanej łukowo na podłoże talowe S235JR, bez trawienia Fig. 7. The microtructure of coating with a thickne of approximately 1.1 mm, depoited by arc praying onto S235JR teel ubtrate, Pomiary twardości Ry. 4. Mikrotruktura powłoki o grubości ok. 0,34 mm natrykiwanej łukowo na podłoże talowe S235JR, bez trawienia Fig. 4. The microtructure of coating with a thickne of approximately 0.34 mm, depoited by arc praying onto S235JR teel ubtrate, Do pomiarów twardości zatoowano mikrotwardościomierz Leitz Wetzlar. Rozkłady twardości zotały wykonane w kali µhv0,05 w płazczyźnie protopadłej do powierzchni w kierunku podłoże-powłoka. na ryunku 8 pokazano wykre ilutrujący rozkłady twardości w porównywanych powłokach. Ry. 5. Mikrotruktura powłoki o grubości ok. 0,78 mm natrykiwanej łukowo na podłoże talowe S235JR, bez trawienia Fig. 5. The microtructure of coating with a thickne of approximately 0.78 mm, depoited by arc praying onto S235JR teel ubtrate, Ry. 8. Rozkłady twardości w podłożu i natrykiwanych powłokach oraz Fig. 8. The hardne ditribution in the teel ubtrate and in the depoited and coating 10

5 Twardość powłoki aluminiowej wynoi ok. 30 µhv0,05 i jet o ok. 10 jednotek wyżza niż twardość powłoki cynkowej. W obu przypadkach twardość talowego podłoża nie uległa zmianie na kutek działania cyklu cieplnego natrykiwania i wynoi ok. 90 µhv0,05. Średnia twardość powłok nie zmienia ię w funkcji odległości od granicy podłoże-powłoka, a zarejetrowane odchylenie tandardowe od wartości średniej zawiera ię w zakreie kilku jednotek. Wynik ten świadczy o tounkowo wyokiej jednorodności powłok w całej ich objętości. Badania naprężeń włanych Do określenia naprężeń w nałożonych powłokach wykorzytano pomiar ugięcia próbek po proceie natrykiwania. W celu pomiaru ugięcia próbek zaprojektowano pecjalny przyrząd pokazany na ryunku 9, bazujący na precyzyjnym cyfrowym czujniku zegarowym przęgniętym z gniazdem kładającym ię z ześciu elementów jednoznacznie utalających próbkę przez odebranie wzytkich ześciu topni wobody. Przed natrykiwaniem kalibrowano czujnik na nieodkztałconej próbce, a po nałożeniu powłoki i otygnięciu próbki mierzono jej ugięcie powtające w efekcie indukowania ię w złączu ił kurczowych i momentów gnących powtających na kutek różnych właściwości fizycznych powłoki i podłoża oraz nierównomiernego rozkładu temperatury. na podtawie zmierzonego ugięcia h płyt próbnych i odległości między podporami a = 27 mm obliczono promień krzywizny r natrykiwanej próbki. Ry. 10. Geometria odkztałconej próbki zatoowana do wyznaczenia promienia krzywizny Fig. 10. The geometry of the deformed ample that wa ued to determine the radiu of ample curvature na podtawie równań Stoneya [9] i teorii ugięcia związanej z wyznaczaniem naprężeń przez pomiar krzywizny ugięcia, średnie naprężenie włane w powłoce (σ) można obliczyć z zależności: σ = W równaniu tym r 1 i r 2 ą promieniami krzywizny podłoża przed nałożeniem powłoki (r 1 ) i po nałożeniu powłoki (r 2 ). Ze względu na każdorazowe zerowanie czujnika dla podłoża talowego S235JR człon (1/r 1 ) zotał pominięty. W związku z tym średnie naprężenie włane w powłoce można określić wyrażeniem: σ = E ( 1 ν ) hc r2 r1 E 2 h 1 1 gdzie: E moduł Younga materiału podłoża, v liczba Poiona, h c grubość powłoki, h grubość podłoża. h 2 1 ( 1 ν ) hc r2 W tablicach III i IV zamiezczono wyniki pomiarów grubości i wygięcia próbek, oraz obliczone na podtawie równania Stoneya wartości naprężeń włanych w powłokach i. Ry. 9. Przyrząd do pomiaru ugięcia natrykiwanych próbek Fig. 9. The digital gauge ued for deflection meaurement of the prayed ample tablica III. Wyniki pomiarów grubości, ugięcia próbki oraz obliczonych naprężeń włanych w powłokach na podłożu S235JR table III. The reult of the thickne meaurement, the deflection of the ample and calculated reidual tree in the coating depoited on S235JR ubtrate nr próbki powłoki h c podłoża h Ugięcie h naprężenie σ, MPa

6 tablica IV. Wyniki pomiarów grubości, ugięcia próbki oraz obliczonych naprężeń włanych w powłokach na podłożu S235JR table IV. The reult of the thickne meaurement, the deflection of the ample and calculated reidual tree in the coating depoited on S235JR ubtrate nr próbki powłoki h c podłoża h Ugięcie h naprężenie σ, MPa na ryunkach 11 i 12 zotały przedtawione wykrey zmierzonego ugięcia próbki w funkcji grubości powłoki i oraz naprężenia włane σ w powłokach i obliczone na podtawie krzywizny wygięcia próbek po proceie natrykiwania w funkcji grubości powłoki. metodą odrywania R H (wytrzymałość określona w tatycznej próbie rozciągania, która wynika z ilorazu najwyżzej iły F m i przekroju próbki na powierzchni przełomu). W doświadczeniu zatoowano próbkę typu B kładającą ię z dwóch przeciwpróbek oraz z wklejonej pomiędzy nie próbki w kztałcie dyku jednotronnie pokrytego powłoką natrykiwaną oraz (ry. 13). Dyki zotały przyklejone do przeciwpróbek klejem termoutwardzalnym 3M 2214 Regular, zgodnie z zaleceniami producenta. Próbki klejano w pecjalnym przyrządzie pryzmowym, który zapewniał wpółoiowość przeciwpróbek. Ry. 11. Wykre ugięcia próbek natrykiwanych i na podłożu S235JR w funkcji grubości uzykanych powłok Fig. 11. The deflection of the ample a a function of the thickne of and coating prayed onto the ubtrate of S235JR teel Ry. 13. Schemat przygotowania próbek do tetu przyczepności Fig. 13. The cheme of ample preparation for the adheion tet Przyczepność powłok natrykiwanych zależy od wielu czynników technologicznych i właściwości materiałów powłoki i podłoża [7]. Podcza badania przyczepności w obu przypadkach powłok cynkowych i aluminiowych rejetrowano utratę pójności w połączeniu powłoka-podłoże. Lokalizacja przebiegu pękania w połączeniu świadczy o tym, iż jet to najłabzy element złącza. Badania przyczepności wykonywano w obu przypadkach dla trzech różnych grubości powłok, po cztery próby dla każdej wartości grubości (tabl. V). Ry. 12. Średnie naprężenie włane σ w powłokach oraz obliczone na podtawie krzywizny wygięcia próbek po proceie natrykiwania w funkcji grubości powłoki Fig. 12. The mean reidual tre σ in and coating calculated baed on the ample curvature meaured after praying a a function of the coating thickne Pomiar przyczepności Badania przyczepności wykonano na podtawie Pn En 582 dla układu powłoka oraz na podłożu talowym S235JR. Przyczepność określona zotała tablica V. Wyniki prób tatycznego rozciągania podcza badania przyczepności powłok oraz do podłoża S235JR table V. The reult of the tatic tenile tet of and coating adheion to the ubtrate Powłoka powłoki Średnia arytmetyczna przyczepności MPa Odchylenie tandardowe 226 5,35 1, ,98 0, ,65 1, ,60 1, ,30 1, ,08 0,98 12

7 Wnioki Metoda natrykiwania łukowego powłok anodowych na tali znajduje zatoowanie w zabezpieczaniu kontrukcji talowych przed działaniem korozji. Wykorzytywana jet zarówno na etapie wytwarzania kontrukcji, montażu, jak i podcza napraw. Powłoki cynkowe i aluminiowe natrykiwane łukowo na podłoże talowe S235JR charakteryzują ię wytarczającą przyczepnością do podłoża w kontekście roli jaką pełnią, to jet protektora w ogniwie galwanicznym. W warunkach technologicznego wytwarzania powłok ochronnych nie zaleca ię przekraczania grubości 0,35 mm. na podtawie wykonanych badań formułowano natępujące wnioki: Wartwa wierzchnia powłok cynkowych natrykiwanych łukowo charakteryzuje ię bliko dwukrotnie mniejzą chropowatością niż powłok aluminiowych. Uzykane połączenia podłoża z powłoką zarówno cynkową, jak i aluminiową ą dobrej jakości, tzn. materiał powłok dobrze wypełnia wzytkie nierówności podłoża talowego i połączenie jet ciągłe. Powłoki aluminiowe mają więkzą przyczepność do podłoża o ok. 40% niż powłokicynkowe mają więkzą przyczepność do podłoża o ok. 40%. Dla obu powłok wraz ze wzrotem ich grubości maleje przyczepność do podłoża. Średnie naprężenia włane σ w powłoce aluminiowej w zakreie grubości od ok. 0,3 do 0,8 mm zmieniają ię nieznacznie. Średnie naprężenia włane σ w powłoce cynkowej w zakreie grubości od ok. 0,25 do 1,1 mm ą bardzo wyokie przy małej grubości powłoki, obniżając ię zybko wraz ze wzrotem grubości do ok. 0,8 mm. Z wykreów na ryunkach 11 i 12 wynika, że średni poziom naprężeń włanych w powłokach w nieznacznym topniu zależy od grubości powłoki. Jedynie dla powłoki cynkowej przy bardzo małej grubości redytrybucja naprężeń włanych w wyniku odkztałcenia platycznego metalu powłoki nie jet w tanie zrekompenować dużej różnicy wpółczynników rozzerzalności cieplnej cynku i talowego podłoża, która w głównej mierze ma wpływ na iły kurczowe w złączu. Twardość powłoki aluminiowej wynoi ok. 30 µhv0,05 i jet o ok. 10 jednotek wyżza niż twardość powłoki cynkowej. Literatura [1] Bazkiewicz J., Kamińki M.: Korozja materiałów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warzawkiej 6. [2] Blicharki M.: Inżynieria powierzchni, WnT, Warzawa 9. [3] Burakowki T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali, WnT, Warzawa [4] Borowy M.: natrykiwanie łukowe powłok anodowych, Praca magiterka, Politechnika Warzawka, Wydział Inżynierii Produkcji, [5] Brennek J., Milewki W.: natrykiwanie cieplne powłok ochronnych, Intytut Wydawniczy CRZZ, Warzawa [6] Chmielewki T., Golańki D.: Właściwości powłok tytanowych natrykiwanych termicznie na podłoża ceramiczne n, Przegląd Spawalnictwa 9-10/9, [7] Milewki W.: Wpływ wpółczynnika wnikania ciepła na powierzchniach tyku na przyczepność powłok natrykiwanych cieplnie, Wydawnictwo Czaopim i Kiążek Technicznych, Warzawa 6. [8] Roiak M.: natrykiwanie termiczne powłok intermetalicznych (ni-) na podłoża talowe, Praca magiterka, Politechnika Warzawka, Wydział Inżynierii Produkcji, [9] Stoney G.G.: The tenion of metallic film depoited by electrolyi, Proceeding of the Royal Society (London) A82, [10] Tkaczyk S. (pod redakcją): Powłoki Ochronne, Wydawnictwo Politechniki Śląkiej, Gliwice [11] Zimmerman J.: Golańki D., Chmielewki T., Włoińki W., Model obliczeniowy do analizy naprężeń włanych w układzie powłoka-podłoże podcza nanozenia powłok metodami termicznymi, Przegląd Spawalnictwa 1/2013, Mieięczne i roczne piy treści oraz trezczenia artykułów opublikowanych w Przeglądzie Spawalnictwa ą dotępne na tronie internetowej: 13