NATRYSKIWANE CIEPLNIE POWŁOKI OCHRONNE STOSOWANE W OCHRONIE PRZED PROCESAMI KOROZYJNYMI. THERMALLY SPRAYED COATINGS USED IN PROTECTION BEFORE CORROSION PROCESSES Krzysztof Szymański*, Maciej Szpak**, Marek Gdesz *** Politechnika Śląska, Instytut Nauki o Materiałach, 40-019 Katowice ul. Krasińskiego 8, emai: krzysztof.szymanski@polsl.pl ** Energo-Coating Sp. z o.o., 26-600, Radom, ul. Wierzbicka 26/44. email: energo-coating@energo-coating.pl *** RAFAKO S.A. 47-400 Racibórz, ul. Łąkowa 33 Słowa kluczowe: natryskiwanie cieplne powłok, korozja, zużycie ścierne, Keywords: thermal spraying, corrosion, wear Streszczenie Natryskiwanie cieplne powłok ochronnych jako jedna z podstawowych technologii inżynierii powierzchni umożliwia wytworzenie powłok o zróżnicowanych i wysokich własnościach użytkowych. Wskazano na podstawowe metody natryskiwania cieplnego które pozwalają wytwarzać powłoki o założonym składzie chemicznym i fazowym oraz strukturze. Powłoki te posiadają funkcjonalne własności użytkowe, w szczególności wysoką odporność na zużycie korozyjne i ścierne. Zaprezentowano przykłady zastosowania powłok natryskiwanych cieplnie w przemyśle energetycznym, maszynowym i procesach regeneracji. Przedstawiono zalety i wady stosowanych metod natryskiwania cieplnego. Abstract Thermal spraying of protective coatings, as one of the base technologies of surface engineering, allows the preparation coatings with different properties and high utility. In this article, it is indicated the basic thermal spray methods, that allow to generate a coating with the established chemical and phase composition and structure. These coatings have got utility functionally properties, especially high resistance to corrosion and abrasive wear. The application of thermally sprayed chosen coatings in the energy industry, machinery and processes of regeneration is presented. In the article the advantages and disadvantages of thermal spraying methods are presented.
Metody natryskiwania cieplnego powłok Powłoki ochronne są nakładane na powierzchnię przedmiotu w celu uzyskania określonych własności technicznych jak np. wysokiej odporności korozyjnej i na zużycie ścierne. Z wielu technologii wytwarzania powłok ochronnych na szczególną uwagę zasługują technologie natryskiwania cieplnego ponieważ spełniają praktycznie obie funkcje. Natryskiwane mogą być powłoki praktycznie ze wszystkich znanych materiałów inżynierskich, o temperaturze topnienia poniżej 3000 C, które nie odparowują lub dysocjują przed osiągnięciem tej temperatury. Główną funkcją większości powłok natryskiwanych cieplnie jest ochrona materiału podłoża przed działaniem czynników korozyjnych, zapewnienie powierzchniom skojarzeń ciernych wysokiej odporności na ścieranie, wytworzenie bariery cieplnej przed oddziaływaniem wysokiej temperatury lub też nadanie powierzchni specjalnych własności elektrycznych, magnetycznych lub innych takich jak: odporność na oddziaływanie wysokiej temperatury, uzyskanie wysokiej twardości (do 1600 HV) i grubości dochodzącej do kilku milimetrów. Rozwój technologii natryskiwania cieplnego związany jest z rozwojem urządzeń do natryskiwania cieplnego wykorzystujących różne źródła ciepła niezbędne do topienia materiału powłokowego oraz rozwojem materiałów powłokowych. Generalnie podstawowy podział metod natryskiwania cieplnego bazuje na typie źródła ciepła służącego do stopienia materiału powłokowego i został przedstawiony na rys. 1. Natryskiwanie cieplne Natryskiwanie gazowe Natryskiwanie elektryczne Natryskiwanie płomieniowe Natryskiwanie łukowe Natryskiwanie plazmowe Natryskiwanie detonacyjne w próżni,, w atmosferze, Natryskiwanie naddźwiękowe w ośrodkach ciekłych, Płomieniowe natryskiwanie drutowe, Płomieniowe natryskiwanie proszkowe, Rys. 1. Schemat rozwoju technologii natryskiwania cieplnego. Jakość wytwarzanych powłok uzależniona jest od sposobu połączenia cząstki z podłożem i następnymi cząstkami powłoki oraz od specyficznych własności materiału użytego do wytworzenia powłoki. Obecny rozwój metod natryskiwania zmierza do uzyskania zwartych powłok o określonej (zazwyczaj bardzo małej) porowatości i bardzo dobrym połączeniu z podłożem. Własności te uzyskujemy dzięki nadawaniu cząstkom materiału powłokowego wysokiej energii kinetycznej lub cieplnej co zapewnia znaczne odkształcenia plastyczne cząstek zakleszczających się w nierównościach podłoża. [1,2] Dzięki temu możliwe jest natryskiwanie powłok o dużej grubości i twardości a jednocześnie małej porowatości. Przykłady struktur powłok wytworzonych metodami natryskiwania cieplnego przedstawiono na rysunku nr 2.
a) b) Rys. 2. Struktura powłoki a) aluminiowej wytworzonej metoda łukową i b) węglikowej typu WC-Co-Cr wytworzoną metodą naddźwiękowego natryskiwania cieplnego.[4] Drugim, równie ważnym aspektem umożliwiającym szerokie zastosowanie powłok natryskiwanych cieplnie jest korelacja ich wysokiej jakości z relatywnie niskimi kosztami ich wytworzenia. Jest to szczególnie widoczne przy zastosowaniu metod łukowego natryskiwania cieplnego. Powyższe cechy powłok, tj dowolność zastosowania materiałów powłokowych i podłoży, bardzo wysoka odporność na zużycie w złożonych "trudnych" środowiskach i relatywnie niskie koszty wytwarzania pozwalają wykorzystywać wybrane powłoki do wytwarzania szeroko pojętych zabezpieczeń antykorozyjnych. [1-9] Zastosowanie powłok natryskiwanych cieplnie do ochrony przed korozją. Zabezpieczenia konstrukcji stalowych przed procesami korozji jest często realizowane przy użyciu metalicznych powłok natryskiwanych cieplnie metodami łukowymi i płomieniowymi. Jako materiały powłokowe często stosowane są "czysty" cynk, aluminium lub ich stopy. W tabeli 1 przedstawiono wybrane zakresy zastosowania powłok, stosowane metody natryskiwania i materiały. Tabela 1. Wybrane typowe materiały stosowane do natryskiwania cieplnego powłok [10] Lp. Rodzaj zużycia Metoda natryskiwania Grupa materiałów Druty z Zn, stopy Zn-Al., Al., Al.-Mg 1, Korozja płomieniowa Proszki: Al 2 O 3, Al 2 O 3 - TiO 2, CrO 2 atmosferyczna 2, łukowa Jw. + stale nierdzewne, stopy na bazie NiCr, 3. Druty: Al., stopy z dużą zawartością Cr na osnowie Ni lub Fe, płomieniowa Korozja wysoko- Proszki: ZrO 2, ZrO 2 +Y 2 O 3, Al 2 O 3 4. temperaturowa plazmowo ZrO 2, ZrO 2 +modyfikacje Y 2 O 3 i inne, 5. łukowa Al., stopy z dużą zawartością Cr na osnowie Ni lub Fe, 6. płomieniowa Proszki typu self-fluxing z przetopieniem 7. Druty na bazie Fe lub Ni modyfikowane fazami węglików, borków, łukowa Zużycie ścierne krzemków itd. 8. HVOF Kompozytowe proszki typu: WC-Co, WC-Co-Cr, NiCr-Cr 3 C 2, WC- CrC-Ni 9. Zużycie ścierno- łukowa Druty na bazie Ni modyfikowane węglikami, borkami i krzemkami. 10. korozyjne w podwyższ. temp. HVOF Proszki typu NiCr-Cr 3 C 2, NiCr-Cr 3 C 2 z dodatkowymi modyfikacjami np. Cr 3 C 2 -TiC-NiCr, WC-Cr 3 C 2 - NiCr lub Ni,
W warunkach dodatkowego oddziaływania ściernego stosuje się powłoki węglikowe natryskiwane metodami naddźwiękowymi które stanowią zamiennik galwanicznych powłok chromowych. [11] Również w warunkach silnego oddziaływania korozyjnego zachodzącego w podwyższonych i wysokich temperaturach są stosowane powłoki zawierające stopy o wysokiej zawartości chromu [10-13]. Przykłady zabezpieczenia dużych konstrukcji stalowych w których stosuje się powłoki cynkowe lub aluminiowe natryskiwane metodą łukową zostały przedstawione na rysunku 3. a) b) Rys. 3. Przykłady zastosowania powłok natryskiwanych łukowo a) konstrukcja mostu, b) elementy rurociągów [4]. Dla złożonych warunków pracy często są stosowane zaawansowane technologicznie powłoki. Przykładem mogą być powłoki natryskiwane cieplnie metodami naddźwiękowymi które przedstawiono na rysunku 4. a) b) Rys. 4. Przykłady zastosowania powłok natryskiwanych metodą naddźwiękową: a) zabezpieczenie wnętrza kotłów energetycznych, b) nurnik pompy [4] Powłoki tego typu charakteryzują się bardzo wysokimi własnościami użytkowymi, niemożliwymi do uzyskania innymi metodami. Posiadają bardzo wysoką odporność na złożone warunki oddziaływania korozyjnego jak i ściernego [8,9].
Podsumowanie Powłoki natryskiwane cieplnie dzięki swej bardzo wysokiej skuteczności ochrony i możliwości nakładania na powierzchnie o praktycznie dowolnym kształcie, również o bardzo dużej powierzchni (konstrukcje mostowe, kadłuby statków, ściany kotłów) oraz mobilność znalazły stałe zastosowanie w ochronie antykorozyjnej konstrukcji. Jednak skuteczne zabezpieczenie antykorozyjne możliwe jest do uzyskania tylko pod warunkiem poprawnego, zgodnego z wymaganiami technicznymi wykonania powłok. Dotyczy to wszystkich aspektów wykonania powłoki, począwszy od właściwego zaprojektowania detalów, doboru materiałów powłokowych i technologii natryskiwania oraz przestrzegania wysokich reżimów technologicznych procesu. W szczególności dotyczy to właściwego przygotowania podłoża, prowadzenia prac przy sprzyjających warunkach klimatycznych, rygorystycznego przestrzegania właściwych parametrów natryskiwania cieplnego oraz stosowania obróbki wykańczającej dla powłok, którą najczęściej jest doszczelnienie poprzez lakierowanie powierzchni (tzw. powłoki duplex). [14] Literatura 1. Formanek B, "Naddźwiękowy proces natryskiwania cieplnego - HVOF, nowe rozwiązania i zastosowania". Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach Nr 5, 1997, 2. Szymański K., Formanek B., Kuczowitz B.: "Naddźwiękowe natryskiwanie cieplne - urządzenia". Spajanie metali i tworzyw w praktyce,2009, nr 3/2009, s. 22-27 3. T.Burakowski, T.Wierzchoń: "Inżynieria Powierzchni Metali", WN-T Warszawa 1995 4. Materiały własne autorów. 5. P. Zbiorowa pod red. A. Hernasa: "Materiały i Technologie do budowy kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów" Katowice 2009, 6. Formanek B., Szymański K., Kuczowitz B, "Odporne na korozję i zużycie ścierne powłoki otrzymywane metodami natryskiwania cieplnego". Ochrona Przed Korozją 2010 Vol.. 53, nr 3, s. 164-168 7. Formanek B., Szymański K., "Kompozytowe, wielofazowe powłoki o wysokiej odporności na zużycie korozyjne i erozyjne w podwyższonej temperaturze". Ochrona Przed Korozją, 2010, vol. 4-5, s. 182-189 8. B. Szczucka-Lasota, K. Szymański, Oxidation resistance of surface-modified coatings for energy boilers., Arch. Mater. Sci. Eng. 2012, vol. 56 nr 2, s. 75-81 9. B. Formanek, K. Szymański, A. Hernas: Trwałość eksploatacyjna natryskiwanych cieplnie powłok do ochrony ścian kotłów fluidalnych CFB, Problemy Eksploatacji 2012, nr 2, s. 57-66, 10. Materiały reklamowe firm: Sulzer Metco, Flame Spray Technologies, Euromat, Castolin, Saint-Gobain 11. K. Szymański, B. Formanek, L. Pająk, M. Hetmańczyk: Struktura i własności proszków oraz natryskiwanych metodą naddźwiękową powłok zawierających węgliki chromu, Inżynieria Materiałowa nr. 3 (151), Rok 2006, pp.547-550 12. Szymański K., Formanek B., Szczucka-Lasota B: Erosion - corrosion resistance of HVOF-sprayed chromium and tungsten carbide. Physicochemical Mechanics Of Materials, 2008, spcial issue no 7 s.230-235 13. B. Szczucka-Lasota, K. Szymański: Oxidation resistance of surface-modified coatings for energy boilers. Arch. Mater. Sci. Eng. 2012, vol. 56 nr 2, s. 75-81 14. K. Szymański: Przygotowaniee powierzchni stopów Al i Mg dla procesu natryskiwania cieplnego powłok. Inżynieria Materiałowa,2011,nr 4 (182), 764-767