2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November 2009 1 Panel nt. Procesy wytwarzania zdeterminowane stanem wiedzy i możliwościami produkcyjnymi parku maszynowego G. Matula Politechnika Śląska W ramach obszaru tematycznego inne technologie przedstawione zostaną następujące techniki kształtowania własności i struktury warstw wierzchnich oraz powłok: Natryskiwanie cieplne Metalizacja zanurzeniowa Malowanie farbami i lakierami Formowanie i spiekanie proszków
Podział metod natryskiwania cieplnego oraz jego zastosowanie a) Natryskiwanie płomieniowe klasyczne lub poddźwiękowe naddźwiękowe HVOF i HP/HVOF (High Velocity Oxy Fuel) b) Natryskiwanie łukowe c) Natryskiwanie detonacyjne d) Natryskiwanie plazmowe e) Natryskiwanie laserowe Natryskiwanie powłok Historia metalizacji natryskowej w Polsce 1923 - niemiecka firma Metallisator z Berlina uruchomia w Polsce dwa warsztaty. Jeden z nich zajmuje się regeneracją części maszyn, drugi natryskiwaniem powłok antykorozyjnych na kadłuby kutrów rzecznych. 1945-47 - przemysł polski otrzymuje od USA w ramach pomocy międzynarodowej pewną liczbę pistoletów do metalizacji typu Metco-2. Z uwagi jednak na brak wykwalifikowanych pracowników, wiedzy i doświadczenia nie są one w pełni prawidłowo wykorzystywane. 1948 - Instytut Mechaniki Precyzyjnej podejmuje się promocji, rozwoju i wykorzystania w przemyśle metody natryskiwania powłok w Polsce. 30.01.1950 r. - Zarządzenie Przewodniczącego Państwowej Komisji Planowania Gospodarczego o rozpowszechnianiu i stosowaniu metalizacji natryskowej we wszystkich gałęziach gospodarki.
Natryskiwanie powłok Ważniejsze sukcesy polskich naukowców w metalizacji natryskowej: 1951 na bazie pistoletu Metco-2 powstaje pierwszy, polski pistolet płomieniowy typu GPM-L2. W Instytucie Badań Jądrowych opracowano konstrukcję i podjęto produkcję wysokiej jakości pistoletów plazmowych PN-110 i PN-200. Licencję na jeden z tych pistoletów zakupiła Francja. W latach 1956-1990 opracowano w Instytucie Mechaniki Precyzyjnej oryginalne konstrukcje płomieniowych pistoletów tyglowych, drutowych, przeznaczonych do natryskiwania materiałów niskotopliwych, ręcznych pistoletów łukowych oraz urządzeń łukowych do natryskiwania zmechanizowanego. Natryskiwanie płomieniowe Płomień Zasobnik z proszkiem Dziób palnika Kanały doprowadzające gaz i proszek Jest to proces, w którym materiał przeznaczony na powłokę może być w postaci proszku lub drutu. Źródłem ciepła stosowanym w tej technice jest płomień gazowy, ze spalania najczęściej acetylenu w tlenie, o temperaturze płomienia ok. 3000 o C. Nanoszenie na natryskiwaną powierzchnię następuje wyłącznie przez gazy spalinowe lub dodatkowo doprowadzony gaz rozpylający, którym może być powietrze, a natryskiwane cząstki osiągają prędkość od 100 do 350 m/s. Technologia ta jest uznawana za najbardziej popularną i rozpowszechnioną.
Płomieniowe natryskiwanie naddźwiękowe HVOF Płomień Podajnik proszku Dysza rozpylająca Chodzenie wodą Kanały doprowadzające gaz Podczas tego rodzaju natryskiwania materiał podawany jest do palnika w postaci proszku, na skutek ciągłego spalania mieszanki gazów (lub tlenu z benzyną lotniczą) wewnątrz specjalnej komory, wytwarza się wysokie ciśnienie następnie poprzez użycie specjalnej dyszy rozprężnej, uzyskuje się strumienia gazów o dużej prędkości (naddźwiękowej), co pozwala na nanoszenie cząstek dobranego materiału na powłokę z ogromną energią kinetyczną. Natryskiwanie detonacyjne w podobny sposób realizowane jest natryskiwanie detonacyjne, w którym materiał powłoki podawany jest cyklicznie na powierzchnię z częstotliwością 10 20 Hz Płomień Kanał doprowadzający proszek Proszek Natryskiwanie plazmą Elektroda Chodzenie wodą Kanał doprowadzający gaz plazmowy Materiał powłoki nagrzewany jest do stanu plastycznego lub ciekłego i nanoszony na powierzchnię przez strumień plazmy, która powstaje w łuku elektrycznym, palącym się między elektrodą (katodą) i dyszą (anodą). Temperatura plazmy może dochodzić do 16 000 o C co wymusza konieczność intensywnego chłodzenia dyszy. Proszek materiału powłokowego wprowadzany jest przez gaz transportujący go aż do strumienia plazmy wewnątrz lub na zewnątrz dyszy plazmotronu. Dużą prędkość strumienia plazmy jest wywołana przez rozprężanie cieplne wypływającego z dyszy gazu.
Porównanie udziału procentowego powłok ceramicznych wytwarzanych różnymi metodami w USA Badania rynku w USA wykazały że natryskiwanie cieplne stanowi około 65% udziału wszystkich powłok ceramicznych wytwarzanych różnymi metodami. Roczne tempo wzrostu natryskiwania cieplnego wynosi 8,5% przy wartości 5,8 i 5,0% dla technologii PVD i CVD. Report ID:AVM015D, 2007, Analyst: Andrew McWilliams Wartość usług związanych z wytwarzaniem powłok ceramicznych różnymi metodami w USA Report ID:AVM015C, 2004, Analyst: Thomas Abraham
Powłoki natryskiwane cieplnie Zalety: połączenie powłoki z podłożem zależne od metody i materiału powłoki (adhezyjne, dyfuzyjne, mechaniczne), szeroki zakres grubości powłoki od 0,01 do 2,0 mm po jednokrotnym natryskiwaniu, możliwość dowolnego doboru składu powłoki, łatwość obsługi palników natryskowych, możliwość automatyzacji i robotyzacji procesu, natryskiwanie niemal dowolnych miejsc konstrukcji, możliwość regulowania grubości powłoki przez stosowanie wielokrotnego natryskiwania, niski koszt inwestycji, wielokrotne natryskiwanie tym samym lub różnymi rodzajami materiału. Wady: konieczność nagrzewania materiału wsadowego do stanu plastycznego lub ciekłego w urządzeniu lub na zewnątrz urządzenia do natryskiwania, często duża porowatość powłok dochodząca do 10% udziału porów, zależna od metody, konieczność prowadzenia dodatkowej obróbki uszczelniającej powłoki, częste utlenienie powłoki, duży poziom hałasu zwłaszcza w technice detonacyjnej, konieczność przygotowania powierzchni natryskiwanego przedmiotu przez odtłuszczenie i usunięcie tlenków (piaskowanie, śrutowanie), konieczność natryskiwania w krótkim okresie czasu po przygotowaniu powierzchni, trudności technologiczne związane z pokrywaniem obszarów trudnodostępnych lub powierzchni wewnętrznych Formowanie powłok z gęstwy polimerowo-proszkowej i spiekanie Technologia formowania niskociśnieniowego gęstwy polimerowo-proszkowej opracowana w Instytucie Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych została wykorzystana do formowania powłok odpornych na zużycie ścierne na konwencjonalnych stalach szybkotnących typu HS6-5-2, stalach niestopowych narzędziowych C70U oraz stalach stopowych do ulepszania cieplnego 41Cr4. Jest to nowatorskie rozwiązanie i zastosowanie metalurgii proszków do wytwarzania powłok odpornych na zużycie ścierne. Badania przeprowadzono w ramach grantu zakończonego w maju tego roku. Badania obejmowały dobór rodzaju i udziału lepiszcza, dobór techniki nakładania gęstwy polimerowoproszkowej na przygotowane wcześniej powierzchnie płaskie próbek w/w stali oraz rozwinięte powierzchnie komercyjnych narzędzi w postaci wierteł, dobór eksperymentalny cyklu degradacji termicznej lepiszcza i warunków spiekania.
Formowanie powłok z gęstwy polimerowo-proszkowej i spiekanie Przykład nakładania kolejnych powłok w celu uzyskania warstwy gradientowej Struktura warstwy wierzchniej M2/WC/lakier na stali 41Cr4 spiekanej w temperaturze 1260 o C Formowanie powłok z gęstwy polimerowo-proszkowej i spiekanie Regenerowana powierzchnia stali szybkotnącej - widoczny ubytek wypełniony węglikostalą Struktura warstwy wierzchniej M2/lakier na stali 41Cr4 spiekanej w temperaturze 1260 o C
Formowanie powłok z gęstwy polimerowo-proszkowej i spiekanie a) b) Przekrój poprzeczny wiertła ze stali C70U pokrytego powłoką T15/węgliki/ a) pomocnicza krawędź skrawająca, b) powiększenie obszaru z rysunku a Warstwy gradientowe formowane z proszków i spiekane Warstwa górna najbardziej bogata w węgliki stanowiąca powierzchnię narzędzia Gładka i zwarta powierzchnia wytworzonego materiału o bardzo niskiej porowatości Warstwa pośrednia o mniejszym udziale węglików Granica pomiędzy nałożoną powłoka i powierzchnią stali szybkotnącej niewykazująca dekohezji. Struktura odlewnej stali szybkotnącej z typową segregacją pasmową węglików powstającą podczas wytwarzania. Niski udział węglików
Formowanie powłok z gęstwy polimerowo-proszkowej i spiekanie 1400 1300 Spiekana Hartowana Odpuszczana w 570 C Odpuszczana w 630 C 1200,1 0 V 1100 H ś ć o 1000 rd a 900 tw ro ik 800 M 700 600 500 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0,24 0,28 0,32 0,36 0,4 0,44 0,48 0,52 0,56 0,6 Odległość od powierzchni, mm Rozkład mikrotwardości na przekroju stali HS6-5-2 pokrywanej gradientową warstwą T15(HS12-1-5-5)/węgliki w zależności od rodzaju obróbki cieplnej. Formowanie powłok z gęstwy polimerowo-proszkowej i spiekanie Zalety: niskie koszty związane z zakupem urządzeń, łatwy sposób nakładania powłoki, możliwość zastosowania automatyzacji procesu, możliwość tworzenia warstw gradientowych, zmiany twardości powierzchni w szerokim zakresie, w zależności od stosowanego proszku, możliwość zmiany składu chemicznego warstwy wierzchniej przez w zależności od zastosowanych gazów podczas spiekania, zastosowania bezpośredniego chłodzenia z temperatury spiekania umożliwia równocześnie obróbkę cieplną rdzenia, możliwość regeneracji narzędzi i nie tylko, dyfuzyjny charakter połączenia powłoki z podłożem, brak konieczności odtłuszczania powierzchni, wysoki uzysk proszku wsadowego. Wady: konieczność nagrzewania całej objętości pokrywanego elementu do temperatury spiekania, gabaryty pokrywanego elementu zależne od wielkości komory pieca, konieczność przeprowadzenia degradacji zastosowanego lepiszcza, długi czas procesu wymagający wolnego nagrzewania do temperatury spiekania, znaczny skurcz powłoki po spiekaniu zależny od udziału lepiszcza, brak możliwości wytwarzania grubych powłok powyżej 1,5mm, możliwy niekorzystny wpływ wysokiej temperatury spiekania na strukturę i własności rdzenia,
Podział kosztów korozji przypadający na poszczególne technologie przeciwkorozyjne Powłoki organiczne Stale rosnąca produkcja wyrobów lakierniczych stanowi duże zagrożenie dla zdrowia i środowiska naturalnego ze względu na związki ołowiu stosowane w pigmentach oraz lotne substancje organiczne stosowane w rozpuszczalnikach
Powłoki organiczne Wzrost w produkcja wyrobów lakierowych w skali Światowej Ograniczenie zużycia toksycznych i drogich węglowodorów aromatycznych, to jest ksylenu i toluenu oraz innych rozpuszczalników organicznych, realizowane jest na przykład, przez stosowanie farb proszkowych, wodorozcieńczalnych lub o dużej zawartości napełniaczy (HS). Coraz powszechniejszym jest nakładanie powłok polimerowych Polimeryzacja powłoki wyklucza udział różnego typu i rozpuszczal-ników, toksycznych dla środowiska naturalnego. Powłoki organiczne Światowa produkcja wyrobów lakierowych Udział wyrobów lakierowych produkowanych w Europie Zachodniej
Powłoki metalizowane ogniowo Szeroko stosowane powłoki odporne na korozję to np. powłoki zawierające znaczną ilość cynku, który można stosować w postaci proszku do lakierów lub wytwarzać jako jednorodne powłoki cynkowe w procesie metalizacji ogniowej. Oprócz powłok cynkowanych przez metalizowanie ogniowe stosowane są jeszcze powłoki Zn-Fe, Al, Al-Si, Al-Zn i Pb-Sn Przykład typowych powłok metalizowanych ogniowo (cynkowanych) i malowanych Źródło: www.portal-cynkowniczy.pl www.ocynkownia-ogniowa.pl Powłoki metalizowane ogniowo Powłoki duplex: Zabezpieczenie antykorozyjne w systemie duplex polega na nałożeniu na ogniową powłokę cynkową specjalnej powłoki malarskiej, co stanowi dodatkową ochronę przed korozją oraz umożliwia osiąganie zamierzonych efektów kolorystycznych. Powłoka malarska chroni cynk przed utlenianiem i przedłuża jego trwałość nawet do 100 lat. Liczba cynkowni w Polsce z podziałem na województwa Źródło: www.obrabiarka.pl
Powłoki metalizowane ogniowo Liczba cynkowni w Polsce z podziałem na województwa Źródło: www.portal-cynkowniczy.pl Zgodnie z PN-EN ISO 12944-2 istnieje pięć kategorii odporności korozyjnej: C1 (bardzo słaba) - roczny ubytek powłoki cynkowej to < 0,1 µm, ochrona ponad 100 lat C2 (słaba) - roczny ubytek powłoki cynkowej to 0,1 0,7 µm, C3 (średnia) - roczny ubytek powłoki cynkowej to 0,7 2,1 µm, C4 (silna) - roczny ubytek powłoki cynkowej to 2,1 4,2 µm, C5 (bardzo silna) - tereny silnie uprzemysłowione o wysokiej wilgotności powietrza i agresywnej atmosferze, również tereny nadmorskie o wysokim zasoleniu.