STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND RECONDIȚIONAREA PRIN METALIZARE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ A UNOR PIESE DIN STRUCTURA APARATURII HIDRAULICE [309000]

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND RECONDIȚIONAREA PRIN METALIZARE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ A [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. Implicit, [anonimizat], la obținerea unei calități superioare a produselor.

[anonimizat], [anonimizat], mărirea consumurilor și chiar accidente de muncă. Obținerea unei durate de funcționare cât mai lungi se poate realiza prin încetinirea procesului de uzare fizică a pieselor componente. [anonimizat]: exploatarea masșinilor la sarcina normala (prin evitarea supraîncarcarilor), [anonimizat], observarea continuă a [anonimizat] a echipelor de intretinere a reparatii si executarea reparatiilor la timp. [49][50]

[anonimizat], [anonimizat]. În Fig. 1.1 este prezentată o schemă logică a obținerii proprietăților pieselor condiționate/ recondiționate.

Fig. 1.1 Schema logică a obținerii proprietăților pieselor condiționate/ [anonimizat] a mașinii sau aparaturii din care fac parte. Ar fi ideal ca integritatea pieselor să se mențină pe toată durata de viață a [anonimizat] [49]:

– materialele din care sunt construite mașinile și utilajele au rezistență la uzare limitată;

– fenomentul de uzare este omniprezent;

– condițiile de lucru nu sunt ideale.

[anonimizat] o continuă dezvoltare a tehnologiilor industriale. Implicit, a fost nevoie să se apeleze la diverse procedee de reparare prin recondiționare a pieselor uzate.[51]

Recondiționarea este recunoscută ca o [anonimizat]. [anonimizat]. [50][69][70][80][112]

[anonimizat] a unor utilaje și utilizarea echilibrată a [anonimizat] a protejării mediului înconjurător.

UZAREA PIESELOR

Contextul actual

Numeroase țări cu economie de piață (bazată pe interacțiunea dintre cerere și ofertă) s-au confruntat cu probleme privind metodele de diminuare a uzării din cauza faptului că anumite unitati industriale au fost proiectate fara a fi acordată atentia cuvenita acestui aspect. [anonimizat] a uzării pieselor.[3][8]

Țările cu economie de tranziție nu au atins in general o pozitie comparabila cu tarile cu economie de piata privind informatiile referitoare la prevenirea uzurii pentru a servi ca baza de date si de formulare ale unor actiuni intreprinse in vederea diminuarii uzurii. [3][8]

În concluzie, uzarea nu constituie o problema exclusiv pentru țările cu o economie in tranzitie. Și țările cu o economie de piata au precupari privind politicile optime de reducere a uzarii. De multe ori, in tarile cu economie tranzițională lipsesc resursele necesare, iar problema cere o solutie globala intrucat exista interdependente intre tarile cu economie de piata si cele cu economie de tranzitie in privinta reducerii gradului de uzura.

Uzarea – factor de degradare

Prin uzare, se intelege orice pierdere de material de pe suprafetele solide in frecare, avand ca urmare modificarea dimensiunilor, a formei geometrice si a jocurilor. Acest proces apare ca un fenomen complex, datorat unor cauze diverse si determinat de un numar mare de factori si conditii (proprietatile, mecanice, particularitatile micro sau macrogeometrice ale suprafetelor, parametrii functionali, calitatea ungerii, lubrifintii folositi). [3][91]

Curba uzării, ca lege generala in funcție de timp are trei perioade distincte, după cum reiese din Fig. 1.2

Fig. 1.2 Dependența tipică a uzării(U) de timpul(t) de funcționare a unei cuple de frecare [3][8]

U – volumul de material dislocat prin uzare de pe suprafețele cuplelor

I– etapa de rodaj – uzarea are o evoluție intensă; în această perioadă suprafețele de frecare se autoajustează (rugozitățile se micșorează);

II – etapa de uzare normală (perioada de exploatare) – uzarea are o evoluție lentă

III – etapa de uzare distructivă – parametrii de funcționare au valori care nu mai corespund unei funcționări normale

Factorii care influenteaza procesul de uzare sunt:

– frecarea – principalul factor al uzarii

– calitatea materialului componentelor

– calitatea suprafetelor aflate in contact:

– rugozitatea ;

– proprietatile stratului superficial

– lubrifiantul – prin natura sa si prin parametrii la care este mentinut in timpul functionarii :

– puritate ;

– vascozitate ;

– presiune.

– viteza relativa dintre cele doua componente si presiunea specifica sunt factori de crestere a frecarii si implicit, de scadere a rezistentei la uzare.[3][8][89]

Cu cat rugozitatea suprafețelor este mai mică cu atat rezistenta la uzare creste deoarece microneregularitatile sunt mai mici si concentratorii locali de tensiune sunt mai mici si mai rari.

Dupa un anumit numar de ore de functionare a unui ansamblu, unele piese, prezinta o stare avansata de uzura, ceea ce face imposibila functionarea in continuare a ansamblului respectiv. În afara uzurii datorita unei functionari de o anumita durata, piesele masinilor sau utilajelor pot iesi din functiune si in urma unor cauze accidentale: loviri, suprasolicitari, montari gresite, defecte de material, etc.[50][51][52]

Pentru a repune ansamblul respectiv in functiune, el este supus reparatiilor. In cadrul procesului de reparatie, piesele demontate sunt analizate cu atentie, stabilindu-se natura si marimea uzurii (gradul de uzura). Este imposibila functionarea in continuare a ansamblului respectiv. Pentru ca piesele uzate sa-si poata indeplini in bune conditi rolul lor funcțional initial, ele se supun unui proces de reconditionare. Totuși, trebuie menționat că nu toate piesele uzate mai pot fi recondiționate.[11][116]

La stabilirea aplicarii unei metode de recondiționare se ia in calcul, in primul rand gradul de uzura al piesei, care influenteaza in mod direct costul reconditionarii.

Uzarea componentelor de aparatură hidraulică

Descrierea fenomenului

Uzarea de abraziune este provocata de prezenta unor particule dure intre cele doua suprafete de contact. Aceste particule pot proveni fie din micropuntile de sudura rupte cu tot cu materialul piesei, fie din lubrifiant (lubrifiantul impur si filtrat necorespunzator), fie din exterior (span in ghidajele masinilor unelte, nisip, praf, in cazul masinilor care functioneaza in exterior). Aceste particule patrund intre componentele aflate in miscare relativa din cauza unei intretineri necorespunzatoare sau a deterioararii accidentale a elementelor de protectie. Uzarea de abraziune se manifesta prin deformatii plastice locale, prin zgarierea sau microaschierea suprafetelor. Ea este ușor de recunoscut după urmele orientate pe direcția de mișcare, (figura 1.). Această uzură se manifestă atât sub formă de deformări plastice și detașări de microparticule metalice (figura 1, a), cât și sub formă de micro-așchieri (figura 1, b).[81][91][96][107][112]

Fig. . Principiul uzării de abraziune

La pompe, uzura de abraziune apare datorită frecărilor dintre piston și cilindru, dintre segmenți și piston, dintre tija pistonului și garniturile de etanșare (vezi Fig. 1.4 Defecte identificate pe suprafața unei tije hidraulice), sau/și în toate articulațiile mecanismului de antrenare la pompele cu piston.

Fig. 1.4 Defecte identificate pe suprafața unei tije hidraulice

La toate tipurile de pompe se produce uzura de abraziune în cazul pompării lichidelor ce conțin particule și micro-particule în suspensie. Aceste particule se strecoară între piesele în mișcare relativă accentuând micro și macro așchierea. La toate pompele rotative apare uzura dintre garniturile de etanșare și piesele în

mișcare de rotație. La pompele cu role uzura de abraziune se produce la frecarea dintre role, stator și rotor. Când rotirea pompei se face în gol, rolele se uzează foarte rapid datorită rezistenței scăzute la frecarea uscată a materialului din care sunt confecționate. Fenomene

asemănătoare se produc și în cazul pompelor cu paleți. [81][91][112]

Acoperiri rezistente la abraziune

Ideal ar fi ca stratul depus prin metalizare pentru rezistenta la abraziune sa aiba o duritate superioara suprafetei cu care vine in contact sau particulelor abrazive ce o uzeaza.

Acoperirile folosite sunt cele din carburi de wolfram-cobalt (pana la 540 °C), carburi de crom-nichel (pana la 850 °C), aliaje de tip stellite (900 °C), oxizi ceramici precum cel de crom si aluminiu, aliaje autofuzionante (Ni-Cr-B-Si), etc.

În Tabelul 1.1 sunt prezentate cateva metode de crestere a rezistentei la uzare abraziva.

Tabelul 1.1 Metode de creștere a rezistenței la uzare abrazivă

Uzarea de coroziune are loc in cadrul interactiunii dintre stratul de material superficial al piesei si mediul agresiv din exterior ; poate fi de natura chimica, electrochimica sau mecanochimica ; are loc in doua etape : intai are loc formarea compusilor de reactie chimica, electrochimica sau mecanochimica si apoi are loc indepartarea acestora de pe suprafata piesei datorita solicitarilor de frecare.[50] În Fig. 1.5 se pot observa uzuri ce au rezultat în urma coroziunii.

Fig. 1.5 Uzare de coroziune pe suprafața unei tije hidraulice

Acest tip de uzură, în mod obișnuit, este cauzat de apă sărată sau materialul ieftin din oțel inoxidabil utilizat în fabricare. Tija necesită o suprafață netedă pentru a nu permite distrugerea sistemului de etanșare. Dacă acest lucru se întâmplă, conduce la o reducere a performanțelor instalației, iar fluidul hidraulic se poate scurge – vezi Fig. 1.6 . O consecință negativă a acestui fapt poate fi poluarea mediului înconjurător.

Fig. . Scurgerea fluidului hidraulic dintr-o instalație

METODE DE RECONDIȚIONARE A PIESELOR

Cele mai uzuale metode de recondiționare a pieselor se pot efectua :

– la trepte de reparație – se urmărește îndepărtarea unui strat de material prin diferite operații de prelucrare mecanică. Această metodă se aplică în producția de serie mare și de masă. Treptele de reconditionare sunt stabilite de la început pe baza studiilor statistice. Ele sunt calculate de catre proiectant inca de la partea de elaborare a fabricarii produsului. Numarul de trepte se incadreaza in intervalul 1-6 din considerente de rezistenta mecanica și grosimea stratului tratat termic.[49][50][69][70]. Prin această metodă se recondiționează piese caracteristice motoarelor auto: arbori cotiti, bloc motor, cămăși, etc. In general uzurile cele mai frecvente sunt reprezentate de aceste cuple cinematice.

– la dimensiunea nominală;

– la o altă dimensiune;

– prin înlocuirea întregii părți uzate a piesei;

– cu ajutorul compensatoarelor de uzare.

Recondiționarea se poate realiza prin diferite procedee tehnologice precum: deformarea plastică, lipirea, încărcarea, etc. Recondiționarea prin încărcare se realizează prin sudare, metalizare, galvanizare sau lipire.[94][116]

Procedeele tehnologice ce pot fi utilizate pentru depunerea materialului de adaos sunt diverse, de la metalizarea chimică și electrochimică (cromarea dură), până la metalizarea prin pulverizare termică.

Recondiționarea prin metalizare prin pulverizare termică

Cercetările care fac obiectul acestei teze de doctorat se referă numai la procesele de recondiționare a pieselor la dimensiunea nominala, deoarece condițiile in domeniul aparaturii hidraulice sunt extrem de stricte, iar precizia suprafetelor este foarte ridicată – de ordinul micronilor.

Recondiționarea prin pulverizare termică poate fi cel mai eficient mijloc de a proteja suprafețele de uzură sau coroziune. Restabilirea dimensiunilor pieselor, menținerea jocurilor precise, dar și îmbunătățirea caracteristicilor fizico-chimice, mecanice și tehnologice ale stratului superficial duc la creșterea duratei de exploatare și reducerea costurilor. [51] Recondiționarea pieselor mașinilor și utilajelor se impune în activitatea industrială prin următoarele avantaje [50][51][69][70]:

– economia de material – se recondiționează doar suprafața uzată/ cu defecte, fără a mai consuma un nou semifabricat sau alte materiale auxiliare necesare obținerii semifabricatului.

– economia de energie – se consumă doar energia pentru recondiționarea unei părți din piesă și nu pentru un proces întreg de obținere a unei piese.

– economia de manoperă – presupune reducerea manoperei, aceasta fiind evident mai mica decât în cazul obținerii unei piese noi.

– economia de scule și echipament tehnologic – costul sculelor în cazul execuției unei piese noi este mult mai mare decât în cazul pieselor recondiționate.

– posibilitatea obținerii unor performanțe deosebite – se vor obține piese cu proprietăți dirijate secvențial, pentru a răspunde unor solicitări complexe și anume [50]:

peste 90% din volumul piesei va fi realizat dintr-un material cu un cost nu foarte ridicat, dar care are proprietăți potrivite solicitărilor generale ale piesei (rezistență la tracțiune, încovoiere, forfecare, etc.) ;

în anumite secvențe volumice sau de suprafață se vor depune straturi din materiale performante din punct de vedere al unor solicitări specifice (rezistență la uzare, rezistență la coroziune, rezistență la șocuri termice, etc.)

Tehnologiile de recondiționare prin pulverziare termică, caracterizate prin economie de material, de energie, de scule așchietoare și manoperă pot satisface cu brio cerințele de mai sus, dar ridică o problemă extrem de importantă, și anume aderența stratului depus la materialul de bază. [50][70][72] Încercările straturilor depuse prin pulverizare termică – singurele standardizate și recunoscute de către organismele de auditare – pot atesta valabilitatea procesului tehnologic proiectat. Este de precizat însă că variabilele de proces sunt extrem de numeroase.

Procedeul tehnologic de pulverizare termică este foarte convenabil de utilizat in diferite domenii industriale datorită costului relativ scăzut. Acest procedeu nu duce la deteriorarea mediului inconjurator si nu in ultimul rand, poate crește durata de viață a componentelor. Straturile depuse prin metalizare prin pulverizare termică conferă suprafețelor pieselor proprietăți deosebite prin care se asigura buna funcționare a masinilor, instalatiilor si utilajelor.

Procedeele de pulverizare termică utilizează surse de căldură de ardere, și anume,

flacăra care influențează temperatura particulelor de metal (figura 1.5.).

Fig. . Principiul tehnologiei de metalizare prin pulverizare termică

Procesul de metalizare constă în topirea materialului de adaos (sârmă sau pulberi metalice), pulverizarea și proiectarea particulelor topite; fuzionarea materialului provenit din pulberi metalice. Fenomenele care se produc în timpul metalizării sunt arderi ale unor elemente metalice din materialul de adaos, oxidări parțiale, atomizări (pulverizări) în particule fine și deformări ale acestora la ancorarea lor pe piesă.(vezi Fig. 1.8)

Fig. 1.8 Detaliu la impactul particulelor pe suprafața piesei de recondiționat

Structura stratului superficial depus prin metalizare prin pulverizare are următoarele componente (vezi Fig. 1.9):

-particule de material de adaos, aplatisate datorita impactului cu materialul de baza; aceste particole adera pe suprafate piesei îmbrăcând microasperitățile de pe suprafața piesei și apoi adera unele la celelalte, strat dupa strat;

– micropeliculele de oxid al materialului de adaos, aflate fie la interfața material de baza strat pulverizat, fie între particulele stratului pulverizat; după ce s-a stabilit jetul de pulverizare, în interiorul acestuia nu prea mai sunt conditii de oxidare și cantitatea de oxid scade drastic astfel că între straturi apare rar; peliculele de oxid reduc aderența la materialul de bază a stratului pulverizat și peliculele de oxid reduc aderența la materialul de bază a stratului pulverizat și aderența straturilor între ele;

– o rețea de canale și pori care pot sau nu să corespundă unele cu altele și de la suprafața la materialul de bază;

– particule de material de adaos care nu au fost topite; aderența acestora este foarte slabă față de particulele învecinate și conduc la propietăți de aderența slabe ale stratului pulverizat. [1

Fig. . Microstructura tipică a unui strat obținut prin pulverizare termică

Tehnologia de recondiționare prin metalizare prin pulverizare termică cuprinde o serie de operații logice, astfel încât să poată fi obținută o calitate cât mai ridicată a stratului depus. Schema de principiu se prezintă în figura….

Prima operație de recondiționare a unei piese uzate constă în curățare mecanică și spălare. Piesele sunt supuse unui control dimensional pentru a se stabili daca uzua este admisibilă și pentru stabilirea grosimii stratului de material necesar a fi depus prin metalizare. Dacă gradul de uzură nu depășește limita admisă, acestea sunt supuse unui control nedistructiv. [55], [89], [93], [122]

După ce piesele au fost controlate, se pregătesc suprafețele pentru a se asigura o aderență mai bună a stratului de material la suprafața pieselor, se curăță și se degresează.

Pregătirea suprafețelor prin așchiere trebuie să asigure îndepărtarea stratului de uzură. Metodele de pregătire a suprafețelor se stabilesc în funcție de specificul piesei, grosimea materialului depus și starea inițială a suprafețelor

Sablarea este procedeul de pregătire a suprafețelor prin care se urmărește a se aduce suprafața la o rugozitate corespunzătoare, care să asigure o bună aderență a materialului depus pe materialul de bază. După executarea sablării, suprafața se suflă cu jet de aer pentru a îndepărta particule de praf. Rugozitatea suprafeței sablate , se recomandă să fie cuprinsă între 6 și 12 μm. Tratamentele după metalizare, specifice straturilor depuse prin pulverizare termică pot fi tratamente termice, retopire a stratului depus. După tratamentele specifice straturilor depuse, piesele sunt supuse unei prelucrări finale numai prin abraziune, nu se recomandă prin strunjire. Elementele de protecție sunt îndepărtate rezultând piesa recondiționată. [59], [74], [89], [93]

Numeroase metode de defectoscopie nedistructivă permit controlul tuturor produselor condiționate/ recondiționate prin pulverizare termică și oferă certitudinea calității produsului. Modelele teoretice pot constitui o bază de plecare privind studiul comportării materialelor în diferite medii, discontinuităților (strat cu porozități) și pentru alte tipuri de aplicații. [38] [50]

CLASIFICAREA PROCEDEELOR DE METALIZARE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

Principalele procedee de metalizare prin pulverizare termică au fost clasificate în funcție de tipul sursei de încălzire, schema prezentându-se în Fig. 1.7. [13][46][63][66][78][108]

Fig. . Clasificarea procedeelor de metalizare prin pulverizare termică

Metalizarea prin pulverizare cu flacără

Metalizarea prin pulverizare cu flacără constă în topirea materialului de adaos (sârmă sau pulbere) într-o flacără oxigaz ce arde în atmosferă liberă și pulverizarea picăturilor de metal topit pe suprafața piesei de metalizat.

(trebuie corelat cu alte informatii

Procesul prin pulverizare cu flacără (figura 1.9.) folosește o tehnică similară cu procesul de pulverizare cu flacără cu sârmă, cu excepția faptului că materia primă este înlocuită cu o pulbere. Principalul avantaj al acestui proces este faptul ca materialele cum ar fi nichel, aliaje sau materiale ceramice pot fi transformate într-o formă de pulbere. Procedeul se bazează pe reacția chimică dintre oxigen și un curent de gaz cu o temperatură mai mare de 3000°C, cu condiții corect echilibrate între oxigen și acetilenă. Materialul rulant de alimentare pentru a fi pulverizat este introdus în flacără sub formă de pulbere pentru a se topi, iar presiunea aerului comprimat și a flăcării de gaze va proiecta picăturile topite pe suprafața piesei formând stratul de material depus. [11], [33], [66], [76], [141]

Pulberile folosite să aibă granule perfect sferice de mărime cuprinsă între (40÷120) μm

și să nu fie contaminate cu impurități. Procedeul de depunere prin pulverizare termică cu flacără oxiacetilenică și pulberi are o largă aplicabilitate în practică (protecție: contra uzurii, la coroziune termică) datorită, pe de o parte, varietății mari de material ce se pot depune, iar pe de altă parte costului redus al acestuia. [87], [97]

Acest procedeu de depunere prin pulverizare termică constă în topirea cu flacără

oxiacetilenică a materialului de aport sub formă de sârmă și transportul particulelor topite cu ajutorul aerului comprimat. [18] , [88]

Procesul de pulverizare termică cu flacără oxiacetilenică și sârmă are o largă

aplicabilitate în practică și anume: recondiționarea pieselor (discurilor de ambreiaj uzate) prin

depunerea de straturi rezistente la uzură; pulverizarea termică pe sticlă, având drept scop: lipirea sau etanșarea acesteia, obținerea de suprafețe refractare sau a conductorilor electrici; protecție anticorozivă.[63]

Metalizarea prin pulverizare termică HVOF (High Velocity Oxigen-Fuel)

De adaugat pag 28-34

Fig. 1.11 HVOF SPRAY

Metalizarea prin pulverizare termică cu jet de plasmă

Fig. 1.12 Plasma spray

Metalizarea cu arc electric cu sârmă-electrod – Aplicație practică

Metalizare cilindru (UPETROLAM)

Tehnologia de metalizare prin pulverizare cu arc electric constă în topirea sârmelor-electrod (material de adaos) prin arcul electric ce se formează între acestea și pulverizarea picăturilor topite cu un jet de aer comprimat pe materialul de bază. Schema de principiu a acestui procedeu se prezintă în figura….

Schema de principiu a metalizării prin pulverizare cu arc electric

În cazul cilindrului…s-a ales ca procedeu metalizarea prin pulverizare cu arc electric cu două sârme-electrod. Cele două sârme-electrod avansează datorită unui sistem de antrenare, cu ajutorul unui rotor mic  cu aer. Sârmele-electrod sunt deformate elastic și conduse spre a se apropia una față de cealaltă în vederea scurtcircuitării și formării arcului electric de către două patine din cupru la o temperatură de aproximativ 4000°C. Contactele electrice se realizează în același timp, atât direct pe sârmele-electrod, cât și pe patinele din cupru (în acest fel se realizează un contact mai bun). Aerul comprimat (în cazul prezentat) sau gazul inert care iese prin duză, pulverizează materialul din vârful sârmelor-electrod care se topește în arcul electric și formează împreună cu picaturile pulverizate jetul de pulverizare orientat normal pe suprafața piesei.

Această metodă de metalizare utilizează sârma sub forma unui stoc de alimentare, așa cum se poate observa în figura…

Sârmă aliaj Fe Cr (13% Cr, 0.35% C, rest Fe) utilizată ca material de pulverizat (PLASMA JET SRL)

Metalizarea cu arc electric este indicată în cazul utilizării sârmelor, topirea sarmei realizandu-se mult mai usor. Se pot depune cu arc electric toate materialele ce pot fi obținute sub formă de sârmă și care sunt bune conducătoare de electricitate.

Pentru cilindrul… a fost utilizat un aliaj Fe Cr (13% Cr, 0.35% C, rest Fe), iar ca a strat de acroș Ni95Al5. Pentru incărcarea axelor este necesar ca sârma sa aibă un conținut de minimum 0,6 % C, sau eventual sa fie folosite sarme de otel aliate cu crom.

La o trecere, stratul de metal depus prin pulverizare in arc electric are o grosime de 0.001-0.003 mm. Metalizatoarele cu arc electric și două sârme-electrod pot fi portabile, sub forma unor pistolete (se utilizeaza pentru lucrari dintre cele mai complexe).

În cazul prezentat s-a utilizat o instalație staționară, sub forma unor dispozitive care s-a montat pe bratul unui robot Kuka.

Instalație de metalizare cu arc electric tip AWS-400 (PLASMA JET SRL)

Piesa a fost pregătită de către client în vederea metalizării prin pulverizare termică .

Cerințe client: …

În prima etapă s-a realizat sablarea piesei cu corindon ….

Este prezentată în figura…

Cilindru sablat înainte de metalizarea prin pulverizare termică

Înainte de începerea operației de metalizare s-a realizat programarea robotului prin comandă numerică.

A doua etapă, cea de metalizare, s-a realizat în două părți;

– pulverizarea stratului de acroșaj din aliaj Ni-Al 95/5

– pulverizarea stratului de acoperire din aliaj Fe Cr (13% Cr, 0.35% C, rest Fe)

Metalizarea s-a efectuat cu o viteză transversală de 12 mm/s, începând de la baza cilindrului și încheindu-se în partea superioară a acestuia, așa cum este prezentat în figura …. Viteza de rotație a piesei pe dispozitiv este de 60 rot/min, iar diametrul piesei este 250 mm.

Metalizarea cilindrului …… prin pulverizare cu arc electric (PLASMA JET SRL)

Parametrii utilizați la metalizarea prin pulverizare termică a cilindrului cu material…, cu ajutorul instalației de metalizare cu arc electric, sunt prezentați în tabelul….:

Tabel… Parametrii de proces – metalizare prin pulverizare termică cu arc electric

Ca și în cazul aplicației prezentate, o importanță deosebită a pulverizării termice cu arc electric, o constituie aplicarea la recondiționarea pieselor uzate. Printre avantajele acestui procedeu se numără: simplitatea, productivitatea deosebită, aderență relativ bună, obținerea unor straturi cu rezistență ridicată la uzare. De asemenea, din punct de vedere economic, investițiile sunt minore, majoritatea echipamentelor fiind similare cu cele de la sudare, cu excepția pistoletului.

Acest procedeu se aplică numai în cazuri comune de recondiționare, deoarece nu se pot obține performanțe deosebite privind porozitatea, caracteristicile mecanice, etc.

Stratul depus prin pulverizare cu arc are următoarele proprietăți:

– grosimea eficientă este 0,5 – 2,5 mm, la o trecere stratul pulverizat având o grosime de 0,001 – 0,003 mm;

– porozitatea este 10 – 20%;

– duritatea depinde de natura materialului depus, în cazul aliajelor de Fe Cr (13% Cr, 0.35% C, rest Fe) fiind….

– aderența la materialul de bază depinde de natura materialului care se depune. Utilizarea unui strat intermediar de acroșaj din Ni-Al, ca și în cazul aplicației prezentate, se pot obține valori ale aderenței de până la 60-70 MPa.

RECONDIȚIONAREA PRIN METALIZARE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ A UNOR COMPONENTE ALE INSTALAȚIILOR HIDRAULICE

Descrierea instalațiilor hidraulice

Instalațiile hidraulice sunt unități de lucru importante, precizia funcționării lor fiind esențială pentru a fi utilizabile. Etanșeitatea este importantă din punctul de vedere al protecției pieselor împotriva factorilor mediului.

Motoarele volumice liniare (cilindrii hidraulici) transformă energia de presiune a lichidului furnizat de o pompa în energie mecanica de translatie, pe care o transmit mecanismelor actionate. Clasificarea acestor motoare se face după numarul directiilor în care se deplaseaza organul activ sub actiunea fortei de presiune si dupa constructia organului activ. [80]

Un cilindru hidraulic "cu dubla actiune" este format dintr-un cilindru circular numit "camasa", închis la capete prin doua capace, tub în interiorul caruia culiseaza un piston sub actiunea diferentei de presiune dintre cele doua camere conectate la racorduri; pistonul transmite forta de presiune printr-o tija ce poate fi unilaterala sau bilaterala. Daca pistonul este deplasat de forta de presiune într-un singur sens si revine sub actiunea unui arc sau a greutatii mecanismului actionat, cilindrul hidraulic se numeste "cu simpla actiune". Daca diametrul pistonului se reduce (pâna la cel al tijei), ansamblul se numeste "plunjer" (Figura 1.4). [80]

Figura 1.4 Cilindru hidraulic cu plunjer

1 – „ureche”; 2 – bucșă antifricțiune; 3 – opritor; 4 – niplu; 5 – cămașă; 6 – plunjer; 7 – inel ”O”; 8 – bucșă de ghidare a tijei; 9 – etanșare combinată; 10 – răzuitor; 11 – inel de sprijin; 12 – inel de siguranță

Cilindrii "telescopici" asigura curse mari cu gabarite mici, mai raspânditi fiind cei cu "simpla actiune" formati din tuburi cilindrice concentrice actionate succesiv, începând cu cilindrul de diametru maxim si sfârsind cu cilindrul central (plunjerul), prin cresterea în trepte a presiunii datorita scaderii suprafetei active. Camerele formate între cilindri de gulerele necesare limitarii cursei acestora pot fi racordate la admisie) sau mentinute la presiunea atmosferică. În toate cazurile discutate pistonul poate fi blocat, actionarea realizându-se prin corpul motorului. Alimentarea camerelor se face uzual prin gauri practicate în capace sau în camasa, dar exista si variante de racordare prin tija, utilizate de exemplu la unele servomecanisme. [80]

CLASIFICAREA CILINDRILOR HIDRAULICI

Dupa modul de functionare al cilindrilor hidraulici, ei pot fi cu dublu efect, simplu efect, cilindri cu plunjer si cilindri telescopici.

CILINDRI CU DUBLA ACTIUNE

Cilindri cu dublu efect sunt cei mai raspanditi cilindri hidraulici. Acestia au cursa in ambele directii , iar forta de impingere este mai mare decat forta de tragere proportional cu suprafata supusa presiunii hidraulice de pe piston.
CILINDRI CU DUBLU EFECT SI TIJE DUBLE

Acest tip de cilindri are particularitatea de a avea tija in ambele capete ale cilindrului, de o parte si de alta a pistonului. Volumul in ambele camere ale cilindrului ramane acelasi, la fel si viteza de extindere in ambele directii a cilindrului.
CILINDRI HIDRAULICI CU SIMPLU EFECT

Caracteristic acestor tipuri de cilindri hidraulici este cursa de operare ce este realizata intr-o singura directie in timp ce cursa de retragere este posibila doar prin intermediul sarcinii ce actioneaza asupra cilindrului (arc sau alta forta exterioara). In mod uzual cursa de lucru este de extindere (cilindru de impingere), sau pot fi cilindri a caror cursa de lucru este de retragere (cilindru de tragere).
CILINDRI TIP “PLUNJER”

Un astfel de cilindru este cu simplu efect, fara piston, functia acestuia fiind preluata de catre tija acestuia. Astfel, suprafata de lucru a acestui cilindru este chiar sectiuea in plan a tijei cilindrului. Absenta pistonului face necesara utilizarea unor ghidaje axiale suplimentare .
CILINDRI TELESCOPICI

Sunt compusi dintr-un numar de cilindri dispusi unul deasupra celuilalt. Teava cilindrului hidraulic indeplineste in acelasi timp functia de tija. Numarul de elemente poate varia de la 2 pana la 6 si sunt utilizati unde lungimea de instalare a cilindrului este mai mica decat cursa necesara. Majoritatea acestor cilindri telescopici sunt cu simplu efect, insa exista de asemenea cilindri telescopici cu dublu efect.
CILINDRI TANDEM

Sunt 2 cilindri interconectati. Tija primului cilindru intra prin baza celui de al 2-lea, impingand in acest fel baza. Astfel, cu cat suprafata efectiva a pistoanelor cilindrilor este mai mare, cu atat forta generata este mai mare, in ciuda unui cilindru cu diametru mic si presiune de operare constanta.

Fixarea capacelor de camasa se poate realiza în mai multe moduri care influenteaza gabaritul, tehnologia de fabricatie si presiunea maxima de functionare. La presiune mica si medie (sub 100 bar), se utilizeaza inele de siguranta si tiranti, iar la presiune mare suruburi, filete si suduri. În tara noastra au fost tipizate pentru fabricatie centralizata ultimele doua solutii. [80]

Cilindrii de uz general pot fi echipati cu diverse piese de prindere, conform cerintelor masinilor actionate: filete, articulații cilindrice sau sferice, tălpi sau flanșe. Cilindrii hidraulici ai servomecanismelor aeronavelor se cromeaza sau se eloxeaza cromic, se rectifica si se rodeaza. [80]

Camasile cilindrilor hidraulici se executa din teava de otel laminat, din bare de otel carbon de calitate sau aliat si din aliaje de aluminiu de înalta rezistenta.

Rugozitatea maximă admisă în mod uzual este de 0,4 µm. Astfel, eboșul realizat prin alezare, gaurire adânca sau strunjire trebuie urmat de rectificare, honuire sau tasare cu role.

Pistoanele si capacele se executa din fonta, aluminiu sau otel în functie de gradul de solicitare si alte cerinte (de exemplu, greutatea).

Tijele pistoanelor se executa din otel carbon de calitate sau din otel aliat, se rectifica si se protejeaza prin cromare dura, urmata de rectificare si lustruire.

Cilindrul hidraulic este o componenta cheie intr-o instalatie hidraulică. Acesta serveste la transformarea energiei fluidului hidraulic in lucru mecanic util. Valoarea de intrare este fluidul hidraulic sub presiune ce actioneaza asupra pistonului cilindrului. Forta aceasta produce o miscare liniara a pistonului si implicit a tijei, in interiorul tevii cilindrulului, sarcina fiind in partea opusa. Astfel, energia hidraulica este transformata intr-o forta controlabila, ce actioneaza in linie dreapta. Mediul hidraulic este de obicei ulei mineral, in hidraulica este reprezentat de ulei sintetic si de emulsie, precum si de apa.

Fig. 1.13

Componentele cilindrilor hidraulici

Cilindrii hidraulici sunt compusi din doua elemnte principale, si anume: teava si pistonul de care este atasata tija. Cele 2 capace de pe capetele cilindrilor inchid ambele parti ale tevii. Tija iese prin capul cilindrului. Pistonul echipat cu garniturile aferente si ghidaje divizeaza interiorul cilindrului in 2 camere, partea inferioara de presiune si partea superioara reprezentata de camera tijei cilindrului. Presiunea hidraulica genereaza miscarea pistonului si a tijei intr-o directie liniara.

Teava hidraulica

Este de obicei un tub nesigilat care este honuit la interior.

Baza cilindrului hidraulic

Baza este sudata sau infiletata in teava cilindrului, insa mai sunt situatii in care baza acestora poate fi cu sau fara flansa.

Capul cilindrului hidraulic

Acesta este de obicei atasat printr-o infiletare sau este sudat si atasat de teava printr-un arc. Partea de etansare din interiorul capului cilindrului contine garniturile de etansare pe tija pistonului si raclor.

Pistonul cilindrului hidraulic

Pistonul divizeaza cilindrul in doua camere. Pistonul este etansat cu o garnitura de piston cu inele de ghidare, care impiedica trecerea uleiului intre cele doua camere. Diferenta de presiune dintre cele doua camere ale cilindrului determina miscarea cilindrului.

Tija cilindrului hidraulic

Tijele sunt de obicei realizate din otel de toleranta mare, cromate dur , laminate la rece. Tijele sunt montate pe partea pistonului intr-o parte si intra din cilindru prin capul cilindrului pe partea cealalta. Un ochet sau o flansa sunt montate de obicei pe capatul din exterior al cilindrului. Tijele cilindrilor pot sa fie cromate dublu, revenite sau din otel inoxidabil.

Orificiile de intrare/ iesire

Prin aceste orificii fluidul hidraulic intra , respective iese din cilindru. Filetele interioare pot avea pasul metric sau in inchi.

Garniturile cilindrului

Exista diferite tipuri de garnituri . Acestea au forme diferite, alcatuite din material diferite si instalate prin metode diferite, precum si diferentiere date de temperatura de operare si presiune a cilindrului hidraulic.

Capatul tijei

Acesta are rolul de a conecta cilindrul la sarcina prin intermediul articulatiei sferice sau bucsei.

Piulita cu auto blocare

Piulita cu auto blocare este folosita pentru a atasa tija la piston in majoritatea aplicatiilor.

Inel de blocare

Este folosit pentru a limita cursa plunjerului cilindrului si pentru a monta capul cilindrului (cu un inel).

Fusul cilindrului

Pentru o instalare pivotala a cilindrului.

Flansa cilindrului

Utilizata in conectarea prin flansa

Bucse

Bucsele sunt de obicei integrate in capetele sudate ale cilindrilor.

Articulatii sferice

Sunt integrate in capul cilindrilor si servesc la conectarea(atasarea) cilindrului la sarcina.

Cum functioneaza un cilindru hidraulic?

Un cilindru hidraulic are de obicei o singura tija/piston. Acesta tip de cilindru este denumit cilindru hidraulic diferential.

O caracterisica a acestuia este ca suprafata pistonului difera de suprafata pistonului din partea tijei. Astfel, cilindrul are o forta mai mare de impingere in comparatie cu forta de retragere, direct proportional cu suprafata expusa a pistonului.

In acest fel este afectata si viteza de iesire, respectiv retragere a cilindrului, viteza de retragere fiind astfel mai rapida decat viteza de iesire a cilindrului. Exista insa cilindrii cu tija dubla, acestia avand caracteristicile identice atat la viteza si forta de iesire, cat si la intoarcere.

Domenii de aplicare

Cilindri hidraulici sunt utilizati in aplicatiile unde este nevoie de forta. Intalnim aplicatii ale cilindrilor hidraulici in domeniile:
INGINERIE MECANICA

In acest domeniu, cilindri hidraulici sunt folositi in instalatii de transport, dispozitive de ridicat, prese hidraulice, utilaje de alimentat, linii de productie automate, linii injectie mase plastice, productie de echipament ecologic, etc.

AGRICULTURA

In agricultura, cilindri hidraulici sunt folositi pentru utilaje mobile (tractoare, combine de recoltat, incarcatoare, etc.), atasamente la tractoare, echipament fix, despicatoare de lemne, etc.
INGINERIE CIVILA

Cilindri hidraulici sunt utilizati pentru utilaje din industria mobila(excavatoare, buldozere, sapatoare) si in atasamente, utilaje de ridicat, utilaje de preparare material, etc.

INDUSTRIA NAVALA

Cilindri hidraulici sunt utilizati pentru echipament de transport, directie, echipamente de ridicat, etc.

ENERGIE

In industria energetica ,cilindri hidraulici sunt utilizati in statii hidroelectrice pentru a controla portile si a regulariza debitul apei, etc.

INDUSTRIA ALIMENTARA

Cilindri hidraulici sunt utilizati la benzile transportoare, linii de productie, etc.

INDUSTRIA CONSTRUCTOARE DE MASINI

INDUSTRIA AERONAUTICA

Mentenanța și repararea instalațiilor hidraulice

SCHEMA CU POZE – ETAPELE REPARARII CILINDRILOR

Mentenanța instalațiilor hidraulice nu înseamnă numai schimbarea garniturilor, a uleiului și a filtrelor hidraulice.

Cele mai frecvente defecțiuni întalnite la o instalație hidraulică:

– deteriorări mecanice ale tijei pistonului, care pot fi produse de efecte externe, dar și de impurități ajunse în ulei ;

– ruperea garniturilor tijei pistonului, ce cauzează scurgeri de ulei ;
– ruperea garniturii pistonului, cilindrul de lucru devenind disfuncțional.

De exemplu, la un stivuitor, tipurile cilindrilor hidraulici folosite cel mai frecvent sunt:

– cilindrul de lucru cu funcționare unilaterală cu „piston flotant”, care îndeplinește sarcina ridicării furcii catargului ;
– cilindrul de lucru cu funcționare bilaterală și tijă unilaterală, care îndeplinește sarcina înclinării catargului
– cilindrul de lucru bidirecțional și tijă bilaterală, este cel mai frecvent la sistemul de direcție și la unele accesorii (mișcare laterală, poziționare).

Cel mai des se deteriorează garnitura pistonului, cauzată de mișcarea constantă și frecarea în țeava cilindrului. Schimbarea garniturilor fabricate din cauciuc – în general unilaterale – este relativ simplă. După schimbare, acestea trebuie bine unse cu lubrifiant, pentru a facilita reasamblarea lor. Garnitura fabricată din cauciuc moale poate să se prindă și să se rupă la reasamblare!

Repararea cilindrilor de lucru cu piston flotant este mult mai simplă.
Din cauza principiului de funcționare, a deplasării pozitive/negative, în cazul acestui sistem nu există piston pe tijă, numai ocazional o muchie de ghidare montată pe partea inferioară a tijei sau strunjit în materialul tijei. Garniturile sunt de obicei într-un capac demontabil sau în carcasa cilindrică demontabilă care se află în țeava cilindrului. În cazul acestei variante, reparația se rezumă la demontarea capacului, schimbarea elementelor de etanșare și reasamblare. Materialul modern al elementelor de etanșare ale tijelor este de obicei poliuretan, care este mai puțin elastic. Montarea acestuia necesită atenție deosebită, ocazional trebuie și încălzit ca să fie destul de maleabil pentru a face posibilă inserția acestuia în canelură.

Raclorul asigură curățenia tijei pistonului. Cel mai exterior element al țevii cilindrului este de obicei din cauciuc (NBR), care poate avea și carcasă metalică. Designul poate fi unilateral, raclor simplu, dar sunt și unele care sunt bilaterale, funcționând ca manșon spre partea interioară a cilindrului. Fiind în afara cilindrului, buza raclorului este destul de vulnerabilă. Din păcate, mulți nu consideră avarierea acestuia a fi o defecțiune serioasă, pentru că nu cauzează scurgere de ulei, nu lasă înapoi cilindrul din cauza lui. Dar dacă acesta nu poate reține murdăria de pe tija cromată, murdăria ajunge în ghidajele sau în garniturile tijei, și cauzează uzarea tijei, pe care cu timpul apar benzi. Prin schimbarea la termen a raclorului putem preveni apariția unei defecțiuni serioase.

Tot atât de important, la acest tip de sistem de etanșare, este schimbarea garniturilor de ghidare. Acesta este în general din poliuretan, sau cu grafit, câteodată și poliuretan cu bronz. Rolul său este de a preveni contactul tijei cu carcasa presgarniturii, protejând în acest fel suprafața cromată de uzare.

Uzarea unei suprafețe mai mici a tijei pistonului, și zgârieturilor mai mici pot fi reparate prin reconstrucția suprafeței, dar este o metodă rar folosită, pentru că este relativ scumpă și imperfectă. Poate fi rentabil la tijele cu diametre mari, dar ca urmare a dezvoltării tehnologice schimbarea tijei a devenit mai ieftină și mai economică. De obicei, fabricarea tijei prin strunjirea și cromarea unei tije de dimensiuni potrivite este mai ieftină decât cumpărarea celui produs de fabricant.

Fig. . Componentele unui cilindru de lucru (motor hidrostatic) bilateral cu tijă unilaterală

Acești cilindri sunt expuși unei solicitări aproape constante în timpul funcționării stivuitorului, fiindcă folosirea direcției este aproape constantă, pe când ridicarea sau înclinarea este mai degrabă o singură operație. Solicitarea este accentuată de faptul că axul director al stivuitorului este plasat la partea cea mai aproape de sol. În afară de faptul că trebuie să funcționeze într-un mediu cu praf și noroi, poate să sufere și șocuri mecanice.

Fig. 1.15 Cilindrul de lucru al (servo) direcției unui stivuitor

Repararea defecțiunilor cilindrilor cu piston este mai complicată pentru că au mai multe piese de schimb, de uzare și de etanșare. Părțile componente sunt: tija pistonului, pistonul, capacul și presgarnitura. La începutul reparației ridicăm puțin șina care ridică catargul și desfacem fixarea superioară a tijei cilindrului hidraulic de ridicare. La acest tip de stivuitor, cilindrul hidraulic de ridicare trebuie scos din locul său, pentru că tija pistonului și pistonul însuși trebuie trase afară din țeava cilindrului. Trebuie avut grijă la pericolul de accidente, șina mobilă scoasă și stivuitorul trebuie asigurate împotriva mișcării! La acești cilindri de lucru mai vechi, metodele de fixare a capacelor cilindrilor și a pistoanelor, precum și garniturile folosite sunt foarte variate.

Etapele reparării cilindrilor hidraulici de lucru:

– se evaluează modul prin care se poate dezasambla cilindrul de lucru

– se stabilește metoda de dezasamblare; piesele cilindrului pot fi avariate dacă nu sunt utilizate uneltele potrivite

– se utilizează ghidul de reparații disponibil in cazul incertitudinii modului dezasamblării.

– se curăță și se examinează integritatea tijei pistonului și a peretelui cilindrului

– se stabilește gradul uzurii prin măsurare.

– se stabilesc piesele de schimb necesare și uneltele speciale necesare pentru reasamblare.

Pentru a putea realiza reparația cu succes a cilindrilor de lucru, fabricanții oferă manuale de reparații și recomandă și unelte speciale.

Tijele sau cilindrii de pistoane hidraulice sunt utilizate într-o mare varietate de domenii industriale, cum ar fi cele civile, industriale și navale.

Se impun suprafețe netede și dure pe diametrul exterior al tijei pistonului pentru o etanșare corespunzătoare. De obicei tijele de piston sunt cromate, dar în producția de cromare dură se produce oxid de crom hexavalent. Hex-cromul este un binecunoscut cancerigen.

În zilele noastre, mai multe procese sunt luate în considerare ca alternative pentru a înlocui cromarea dură. Cele mai importante ar fi depunerea chimică și fizică a vaporilor (CVD și PVD) și depunerea cu ajutorul laserului, dar principalele dezavantaje ale acestor procese sunt dificultățile privind retratarea pieselor.

Metalizarea prin pulverizare termică oferă câteva alternative la cromarea dură : aliaje Al, ceramice sau pe bază de carburi. Suprafețele pulverizate termic rezistă unor condiții agresive de mediu, cum ar fi uzura și coroziunea. Multe acoperiri termice obținute prin pulverizare depășesc proprietățile straturilor dure cromate.

Aria de utilizare a recondiționării prin cromare dură cuprinde o gamă variată de piese, începând cu: ansamble de hidraulica, componente ale motoarelor, cilindri de presiune, etc, ale caror suprafete sunt supuse unei uzuri mecanice ridicate. In figura … se prezinta procedeul tehnologic de metalizare HVOF a unui cilindru hidraulic.

Fig. . Metalizarea prin pulverizare termică (HVOF) a unui cilindru hidraulic (Plasma Jet SRL)

Pentru protectia impotriva acestei uzuri se aplica pe suprafata pieselor un strat de crom cu duritate de cel putin 1000 HV. Prin variatia grosimii stratului poate fi obtinută o durabilitate și fiabilitate adaptată la cerințele clientilor.

Particularitățile determinante a cromului electrolitic, care de fapt au și servit cauzei răspândirii lui, sunt stabilitatea chimică remarcabilă, duritatea și rezistența remarcabilă la uzare mecanică. Toate acestea, asociate cu posibilitatea de depunere a unor acoperiri apreciabil de groase, cu înalte capacități de aderență la bază, determină domeniile de aplicare efectivă ale cromării electrolitice. Aici sunt incluse tehnologiile de finisare ale pieselor (cromarea lucioasă decorativă și decorativ-protectoare), împotriva coroziei (cromarea anticorozivă), iar rezistența ridicată la uzare a pieselor aflate în diferite tipuri de contact și posibilitatea de restabilire a suprafețelor uzate – pledează pentru cromarea galvanică. [67]

Procedeul de metalizare prin pulverizare HVOF (de mare viteză oxigen-combustibil) este un proces relativ nou, oferind cele mai dense și mai dure straturi, cu rezistență foarte mare la aderență.

Se poate pulveriza, de exemplu, un strat foarte dur din carbură de tungsten cu o duritate de peste 1300 HV. Prin urmare, acesta este adesea folosit pentru a proteja împotriva uzurii extreme și, de asemenea, ca un înlocuitor al cromării dure pentru tije hidraulice, supape cu bilă, scaune și garnituri. Cheia pentru obținerea unei calități ridicate a stratului de acoperire necesită o instalație de pulverizare complexă, pulberi fine și dense, parametri optimizați de pulverizare.

Fig. . Recondiționarea unui cilindru hidraulic prin metalizare prin pulverizare termică

Fig. 1.18 Rectificarea unui cilindru hidraulic de mari dimensiuni acoperit cu carbură de tungsten

Creșterea rezistenței la uzare prin straturi depuse prin pulverizare termică

Acoperirile obtinute prin pulverizare termica pentru suprafete dure de alunecare, au o rezistenta ridicata la uzare. Lagarele dure sunt folosite acolo unde nu este necesara inglobarea particulelor abrazive si autoalinierea, iar lubrifierea este putin importanta. Natura straturilor depuse prin metalizare, produce beneficii in plus fata de materialele laminate sau turnate, datorita porozitatii care actioneaza ca rezervor de lubrifiant si  naturii composite a oxizilor inclusi in fazele amorfe ce duc la cresterea rezistentei la uzare. Desi au o macroduritate mai mica decat laminatele si turnatele, straturile obtinute prin metalizare sunt mai rezistente la uzare. Cele mai folosite metalizari, in cazul lagarelor dure, sunt pe baza de cermeti precum carburile de wolfram – cobalt sau crom-nichel/crom, oxizi ceramici precum cel de crom, cel de aluminiu sau titan, molibden si aliaje diferite de fier, nichel, crom si cobalt.

În cazul suprafețelor moi de alunecare, acoperirile obtinute prin pulverizare termica permit inglobarea particulelor abrazive si deformarea cauzata de aliniamente nepotrivite. Aceste acoperiri necesita lubrifiere si trebuie sa fie ieftine deoarece uzura se produce in zona de contact. Unele acoperiri sunt poroase si au avantajul ca porii functioneaza ca rezervoare de lubrifiant. Cele mai uzuale metalizari pentru lagare de alunecare moi, sunt cele pe baza de bronz de aluminiu, bronz fosforos, argint grafitat, babbitt (YSn88), bronz-polimer compozit etc.

Înlocuirea cromului dur cu straturi depuse prin pulverizare termică HVOF

Tijele de pistoane hidraulice sunt utilizate într-o mare varietate de domenii industriale, cum ar fi cele civile, industriale și navale.

Suprafețele netede și dure sunt necesare pe diametrul exterior al tijei pistonului pentru o etanșare corespunzătoare. De obicei tijele de piston sunt cromate, dar în producția de cromare dură se produce oxid de crom hexavalent. Hex-cromul este un binecunoscut cancerigen.

Metalizarea prin pulverizare termică oferă câteva alternative la cromarea dură : aliaje Al, ceramice sau pe bază de carburi. Suprafețele pulverizate termic rezistă unor condiții agresive de mediu, cum ar fi uzarea abrazivă și coroziunea. Multe acoperiri termice obținute prin pulverizare depășesc proprietățile straturilor dure cromate.

Aria de utilizare a recondiționării prin cromare dură cuprinde o gamă variată de piese, începând cu: ansamble de hidraulica, componente ale motoarelor, cilindri de presiune, etc, ale caror suprafete sunt supuse unei uzuri mecanice ridicate.

Pentru protectia impotriva acestei uzuri se aplica pe suprafata pieselor un strat de crom cu duritate de cel putin 1000 HV. Prin variatia grosimii stratului poate fi obtinută o durabilitate și fiabilitate adaptată la cerințele clientilor.

Particularitățile determinante a cromului electrolitic, care de fapt au și servit cauzei răspândirii lui, sunt stabilitatea chimică remarcabilă, duritatea și rezistența remarcabilă la uzare mecanică. Toate acestea, asociate cu posibilitatea de depunere a unor acoperiri apreciabil de groase, cu înalte capacități de aderență la bază, determină domeniile de aplicare efectivă ale cromării electrolitice. Aici sunt incluse tehnologiile de finisare ale pieselor (cromarea lucioasă decorativă și decorativ-protectoare), împotriva coroziunii (cromarea anticorozivă), iar rezistența ridicată la uzare a pieselor aflate în diferite tipuri de contact și posibilitatea de restabilire a suprafețelor uzate – pledează pentru cromarea galvanică.

Procedeul de metalizare prin pulverizare HVOF (de mare viteză oxigen-combustibil) este un proces relativ nou, oferind cele mai dense și mai dure straturi, cu rezistență foarte mare la aderență.

Fig. . Metalizarea cu procedeul HVOF a unui cilindru

Se poate pulveriza, de exemplu, un strat foarte dur din carbură de tungsten cu o duritate de peste 1300 HV. Prin urmare, acesta este adesea folosit pentru a proteja împotriva uzurii extreme și, de asemenea, ca un înlocuitor al cromării dure pentru tije hidraulice, supape cu bilă, scaune și garnituri – exemplu prezentat în Figura 2.1. Cheia pentru obținerea unei calități ridicate a stratului de acoperire necesită o instalație de pulverizare complexă, pulberi fine și dense, parametri optimizați de pulverizare.

Aliajele de tip stellite constau in principal din cobalt. In functie de compozitia aliajului exista o serie de diferite marci de stelit, cu diverse proprietati mecanice.

Creșterea rezistenței la uzare se poate obține prin creșterea durității. Stelitul poate avea o duritate mai mare de 60 HRC. În consecință, nu este necesar tratament termic.

Procedeul HVOF, inlocuieste cu succes cromarea dură electrochimică, iar stratul depus poate atinge grosimi de ordinul mm cu aderenta si duritate mult peste cromarea electrochimica.
In timpul procesului de metalizare HVOF particulele de pulbere nu ating temperatura de topire in totalitate, dar viteza extrem de ridicata a particulelor (>700 m/s) produce o acoperire de buna calitate

Metalizarea HVOF cu sarma s-a dezvoltat dupa anul 2000, si are ca tinta depunerea molibdenului intr-un strat cu porozitate scazuta si duritati peste 60 HRC.

Acest proces inlocuieste cromarea dură. În plus, nu este limitat de dimensiunea piesei și are avantajul depunerii de straturi groase, peste 1 mm grosime, cu aderenta si duritate superioara cromarii. Evident poate fi depus orice aliaj sau metal pur care exista sub forma de sarma si are un punct de topire sub 3000 șC.Dezavantajul este un pret mai ridicat decat al cromarii electrochimice.

CONCLUZII

Fenomenul de uzare afectează în permanență toate piesele mașinilor, instalațiilor sau utilajelor. Recondiționarea devine o componentă a mentenanței și are rolul de a păstra nivelul fiabilității mașinilor.

Recondiționarea pieselor are ca scop transformarea pieselor uzate în piese capabile să-și mai poată îndeplini rolul funcțional. [48][49][88]

Stabilirea fluxului tehnologic pentru recondiționare depinde de tipul procesului de producție și impune respectarea strictă a succesiunii operațiilor procesului tehnologic.

Din motive economice, în unele cazuri, se poate aplica procesul de condiționare a suprafețelor prin metalizare prin pulverizare termică prin introducerea operației de metalizare prin pulverizare termică în fișa tehnologică a produsului.

Rezistența la uzare depinde de: structură, duritate, aderență, porozitate, tensiunile din stratul depus pe suprafața uzată și de calitatea suprafeței după prelucrarea mecanică;

Pentru obținerea unor straturi cu duritate foarte mare, așa cum o cer aplicațiile de tipul cilindrilor hidraulici, se recomandă utilizarea materialelor sub formă de pulberi.

operațiile procesului tehnologic de recondiționarea pieselor prin metalizare prin pulverizare

termică sunt: curățirea (mecanică sau prin spălare), control nedistructiv, control dimensional,

recondiționare, tratament termic, prelucrarea prin așchiere, finisare, control final și depozitare;

[52], [55], [62]

5. pentru realizarea unor straturi cu duritate foarte mare, se recomandă utilizarea materialelor

sub formă de pulberi aplicate cu procedeul de pulverizare termică HVOF;

6. grosimea stratului depus variază în funcție de procedeul de recondiționare (câțiva microni

până la peste 10 mm); [55], [62]

7. în urma pulverizări se obține o porozitate mare a stratului depus, ceea ce se recomandă

metoda pentru durificare a unor suprafețe în vederea creșterii rezistenței la uzare;

8. metodele de acoperire a suprafețelor în vederea acoperirii se stabilesc în funcție de specificul

piesei, grosimea materialului depus și starea inițială a suprafețelor; [55], [62]

9. metalizarea prin pulverizare termică reprezintă un proces de recondiționare, care permite

obținerea unor proprietăți mai bune ale stratului depus comparativ cu cele ale stratului de bază

6. grosimea stratului depus variază în funcție de procedeul de recondiționare (câțiva microni până la peste 10 mm); [55], [62]

7. în urma pulverizări se obține o porozitate mare a stratului depus, ceea ce se recomandă metoda pentru durificare a unor suprafețe în vederea creșterii rezistenței la uzare;

8. metodele de acoperire a suprafețelor în vederea acoperirii se stabilesc în funcție de specificul

piesei, grosimea materialului depus și starea inițială a suprafețelor; [55], [6]

9. metalizarea prin pulverizare termică reprezintă un proces de recondiționare, care permite obținerea unor proprietăți mai bune ale stratului depus decât cel de bază;Err

Cu cat rugozitatea este mai mica cu atat rezistenta la uzare creste. Deoarece microneregularitatile sunt mai mici, atunci concentratorii locali de tensiune sunt mai mici si mai rari.

CAPITOLUL 2

STUDII ȘI CERCETĂRI TEORETICE PRIVIND PROPRIETĂȚILE STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

STUDII TEORETICE CU PRIVIRE LA PROPRIETĂȚILE STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

Dată fiind complexitatea tehnologiei de metalizare prin pulverizare termică, proprietățile straturilor depuse sunt influențate de o serie de factori: [50][75]

natura materialui care se depune:

diferențele de caracteristici fizico-chimico-mecanice față de cele ale substratului;

compatibilitatea cu materialul de bază;

parametrii procesului de pulverizare termică;

tratamentele post-metalizare ale straturilor.

Proprietățile mecanice ale straturilor depuse prin pulverizare termică

Principalele proprietăți mecanice ale straturilor :

– aderența

– compactitatea acoperirii

– duritatea stratului

– rezistența la uzare

– rezistența mecanică

Considerând unul dintre obiectivele țintă ale tezei de doctorat, dintre cele mai importante proprietăți se remarcă aderența la substrat (material de bază) a straturilor depuse prin pulverizare termică

Aderența stratului de metal pulverizat la suprafața metalului de bază este un fenomen de legătură superficială și prin urmare, formarea lui este condiționată de energia stratului molecular superficial al ambelor metale care vin în contact. Această fixare la suprafața, denumita aderența, este cantitativ mult mai slabă decât aderenta intermoleculară caracteristică proceselor de încărcare cu sudură, respectiv de turnare.

Aderența depinde de proprietățile fizico-chimice ale metalului, de încărcarea metalului de bază, cât și de următorii factori:

pregătirea suprafeței

temperatura suprafeței de metalizat

regimul de metalizare, în special presiunea aerului

distanța duzei pistoletului de suprafeța de metalizat

viteza de aplicare a metalului pulverizat

Pregătirea suprafeței constă în curățarea si asperizarea ei.

Asperizarea asigura creșterea raportului dintre suprafața efectiv încărcată și suprafața geometrică măsurată și deci aderența medie ( în kg/ cm) crește.

Rezistenta la aderenta este definite conform standardelor ca fiind rezistenta de desprindere prin tractiune sau forfecare a stratului depus prin pulverizare fata de materialul de baza, daca ruperea se petrece la interfata.

Parametrii care influenteaza rezistenta la aderenta sunt[49][50][51]:

Natura si forma de prezentare a materialului de adaos care prin caracteristicile sale termofizice (temperatura de topire, caldura specifica, caldura latent de topire, conductivitatea si difuzivitatea termica) si prin forma si dimensiunie contactului dintre particulele pulverizate si materialul de baza determina conditii punctuale mai bune sau mai slabe de aderenta.

Grosimea stratului pulverizat – cu cat grosimea stratului pulverizat este mai mare cu atat rezistenta acestuia la tractiune este mai mare si va solicita mai puternic interfata material de baza – material depus; daca suprafata pe care se depune este convexa, atunci soliticatrea este benefica aderentei; daca suprafa pe care se depune este plana sau concava, atunci aderenta slabeste; in aceste cazuri este necesar ca procesul de metalizare prin pulverizare sa fie interrupt pentru a se permite stratului depus sa se raceasca sis a se evite exfolierea;

Tehnica de pulverizare si parametrii de lucru care determina conditiile de temperatura si impact al picaturilor pe suprafata materialului de baza;

Cresterea vitezei de impact a picaturilor pe suprafata materialului de baza conduce la cresterea aderentei;

Cu cat unghiul de impact este mai aporpiat de 90o cu atat aderenta este mai mare;

Cresterea distantei de pulverizare conduce la scaderea aderentei.

Forma piesei metalizate prin pulverizare termica: convexa (cea mai buna aderenta), concava sau plana;

Caracteristicile termofizice si starea suprafetei materialului de baza.

Pentru estimarea rezistentei la aderenta in cazul straturilor convexe s-a propus urmatoarea relatie de calcul:

σ = ; (3.1.)

in care:

E – modulul de elasticitate al stratului depus; α – coeficientul de dilatare termica liniara; ti – temperatura particulelor inainte de impact; tf – temperatura particulelor dupa solidifciare; h este grosimea stratului solidificat; k – un coeficient de aderenta dependent de tehnica de pulverizare si de pregatirea suprafetei.

In cazul suprafetelor concave, pentru a se asigura o aderenta buna este necesar sa fie indeplinita conditia:

(3.2.)

în care: T1 este temperatura medie a piesei reconditionate; T2 / temperatura medie a stratului depus la sfarsitul pulverizarii; α1 – coeficientul de dilatare termica liniara al materialului de baza; α2 – coeficientul de dilatare termica liniara al stratului depus.

Pentru suprafete plane conditia de a se asigura o aderenta buna este:

T2 (3.3.)

In care notatiile au aceeasi semnificatie ca mai sus.

Cea mai mare aderenta la materialul de baza (masuratorile s-au facut pe oteluri cu continut mic si mediu de carbon) a fost obtinuta in straturile pulverizate din carburi metalice. Faptul se explica prin aceea ca matricea carburilor este Ni sau Co, metale cu caracteristici termofizice adecvate transportului unei cantitati mari de caldura care creaza conditii punctuale, la impactul picaturilor, pentru mularea perfecta pe asperitatile suprafetei materialului de baza si pentru formarea unor micropunti de sudura prin difuzie si chiar prin microtopire. S-au obtinut valori ale rezistentei la aderenta de peste 60 MPa si in unele cazuri chiar de 100 MPa.

Dintre metale, cea mai buna aderenta la materialul de baza o au Mo si Ni care permit valori de 30…40 MPa ajungandu-se, in cazul unor tehnici special si la 50 MPa. De aceea, in cazurile deosebite de depunere prin pulverizare a unor straturi din oteluri, se utilizeaza drept strat tampon intre materialul de baza si materialul de adaos un strat din Mo sau Ni.

Uzual, rezistenta la aderenta a straturilor din otel este de 20…30 MPa

Duritatea straturilor depuse prin pulverizare termica da, in prima instant, o masura a rezistentei la uzare a stratului depus prin pulverizare termica.

Factorii care influenteaza duritatea stratului depus prin pulverizare termica sunt urmatorii:

Natura materialului depus;

Structura straului de material depus;

Porozitatea stratului de material depus;

Grosimea stratului de material depus;

Prelucrarile finale ale stratului de material depus.

Fiecare dintre acesti factori este determinat la randul sau de numerosi parametri de proces. Astfel, duritatea stratului de material depus prin pulverizare termica creste cu:

Cresterea vitezei de impact a particulelor pulverizate pe suprafata materialului,

Scaderea granulatiei,

Scaderea proportiei de oxizi continuti in stratul depus,

Cresterea grosimii stratului depus

Si scade cu:

Scaderea presiunii de pulverizare,

Cresterea distantei de pulverizare,

Cresterea temperaturii stratului dupa metalizare,

Cresterea vitezei de avans sau a debitului de material de adaos.

Duritatea straturilor depuse prin pulverizare termica este dependent atata de natura depunerii – material si dimensiuni, cat si de mediul tehnologic – tehnica si conditiile de pulverizare. Spre exemplu, cele mai mari duritati se obtin in cazul depunerilor de oxizi (Figura 3.1.).

Figura 3.1. Interdependenta dintre tehnica de pulverizare si caracteristicile stratului depus

Rezistenta la uzare este foarte buna dupa metalizare, chiar mai buna decat rezistenta la uzare a piesei initiale. Acest fapt se datoreaza atat faptului ca structura straturilor pulverizate este o structura caracteristica de tratament termic (stratul pulverizat se raceste repede in aer) si straturile au duritate mare, cat si faptului ca structura straturilor pulverizate este caracterizata de existenta porilor. In timpul functionarii, portii acumuleaza lubrifiant care, pe de o parte contribuie la cresterea rezistentei peliculei de lubrifiant sip e de alta parte furnizeaza lubrifiant in timpul regimurilor tranzitorii de pornire-oprire cand sistemul de ungere nu functioneaza. Astfel, frecarea uscata ce se manifesta in aceste perioade si care este caracterizata de uzari importante este inlocuita cu frecare umeda sau semiumeda si uzura se reduce drastic. In consecinta, ar trebui ca toate suprafetele solicitate la uzare prin frecare sa fie conditionate inca din start prin pulverizare termica si nu numai dupa primul ciclu de functionare, la reconditionare. In acest fel s-ar prelungi durata de viata a pieselor.

Proprietățile fizice ale straturilor depuse prin pulverizare termică

Plecând de la obiectivele temei de cercetare, una din proprietățile fizice cheie a suprafețelor componentelor hidraulice (cum ar fi tijele), o reprezintă porozitatea.

Porozitatea straturilor depuse prin pulverizare termica se defineste ca fiind raportul volumetric al porilor din stratul depus si volumul aparent al stratului:

P = * 100 [%] (3.4.)

în care: Vp este volumul porilor; V- volumul aparent al stratului depus in pulverizare.

In termeni de greutate specifica relatia se poate scrie:

P = *100 [%] (3.5.)

în care: γm este greutatea specifica a materialului depus compact; γ – greutatea specifica aparenta a stratului depus prin pulverizare.

Porozitatea straturilor depuse prin pulverizare termica afecteaza proprietati importante ale straturilor, cum ar fi rezistenta mecanica, rezilienta, alungirea specifica, rezistenta la coroziune, dar contribuie decisive la cresterea rezistentei la uzare prin faptul ca porii se constituie in acumulatori de lubrifiant si astfel se obtin proprietati antifrictiune remarcabile. Porozitatea este o caracteristică predominantă a microstructurii și afectează o gamă largă de proprietăți de acoperire, cum ar fi modulul elastic, conductivitatea termică . [35][49]

Rezistența la uzare este afectată de porozitatea straturilor prin următoarele fenomene

– porii de suprafață reprezintă concentratori de undă de presiune în fenomenul de coroziune;

– porii pot constitui calea de contact cu atmosfera de lucru, prin care poate fi afectat stratul de acoperire

– porii se pot constitui în amorse de microfisuri, care conduc la desprinderea unor micro-particule din stratul pulverizat termic.

Analizând informațiile din literatura de specialitate, sintetizate in Figura…., se poate concluziona că cele mai potrivite procedee sunt HVOF, detonație și APS.

Numeroase studii arată influența pozitivă a rezistenței la uzare prin retopire cu laser, cum ar fi cazul acoperirilor cu oxid de crom (Cr2O3) sau a altor ceramice pulverizate cu jet de plasmă (APS). [59][71]

În cazul carburilor de wolfram depuse cu HVOF, rezultatele au arătat că trebuie să se țină seama de faptul că iradierea trebuie menținută la un nivel relativ scăzut în comparație cu suprafețele neacoperite. Iradierea la intensitate mare poate duce, în acest caz, la suprafețe abrazive și poroase. Se arată că nivelurile mai scăzute de iradiere oferă microstructuri mai uniforme, porozitate redusă și microduritate crescută.[29][127]

„Conductivitatea termica este dependent de natura materialului de adaos, de structura stratului depus prin pulverizare termica (de exemplu, faza cubica de ZrO2 stabilizat cu 20% Y2O3 are conductivitatea termica de doua ori mai mica decat faza tetragonala de ZrO2 stabilizat cu 20% Y2O3) si scade cu cresterea porozitatii si a continutului de oxizi. De asemenea, conductivitatea termica este puternic influentata de elementele de pseudoaliere introduce in stratul de material depus.

„Astfel, in figura 3.2. se observa ca atat proportia cat si natura elementelor introduse in stratul depus prin pulverizare termica influenteaza conductibilitatea termica.

Fig. 2.1 Influența elementelor de pseudo-aliere asupra conductibilității termice a straturilor depuse prin pulverizare termică

Difuzivitatea termica, reprezentand raportul dintre conductivitatea termica, λ si proprietatile materialului de acumulare a caldurii exprimate prin caldura specifica volumetrica, ρscm:

α = (3.6.)

în care: ρs este greutatea specifica aparenta a stratului depus prin pulverizare si cm este caldura speicifca masica si depinde, similar cu conductivitatea termica, de natura si structura materialului depus, de continutul de oxizi si de porozitatea stratului.

Dilatarea termica a stratului depus prin pulverizare este extreme de importanta atat prin prisma diferentei dintre coeficientul de dilatare termica a materialului de baza si coeficientul de dilatare al stratului depus, cat si in prisma diferentei de regim termic dintre materialul de baza si stratul depus.

In timpul pulverizarii termice, stratul de material se raceste de la temperature de solidificare a particulelor pulverizate pana la temperature ambianta, iar materialul de baza parcurge un ciclu termic compus dintr-o incalzire pana la maximum 473…523 °K si o racire pana la o temperature ambianta impreuna cu stratul depus. Din cauza regimurilor termice diferite apar diferente de dilatare-contractie si, in consecinta, apar tensiuni termice interne la interfata material de baza-strat depus.

Permeabilitatea straturilor depuse prin pulverizare depinde de urmatorii factori:

Natura materialului care se depune,

Marimea granulelor si a porilor,

Numarul si forma canalelor de comunicatie dintre pori,

Grosimea stratului depus prin pulverizare,

Prelucrarile ulterioare ale stratului depus prin pulverizare.

Permeabilitatea este influentata in mod diferit de natura materialului depus prin pulverizare in functie de diferiti parametrii de regim. Astfel, in cazul otelului si plumbului permeabilitatea scade cu cresterea grosimii stratului depus prin pulverizare, dar in cazul aluminiului influenta este nesemnificativa. Permeabilitatea creste semnificativ cu distant de pulverizare in cazul plumbului si aluminiului si foarte putin in cazul otelului.

In cazul pulverizarii cu flacara cresterea presiunii oxigeului conduce la scaderea permeabilitatii pentru otel si cupru si la cresterea permeabilitatii pentru plumb si zinc. Cresterea presiunii aerului comprimat pentru pulverizare are efecte variabile de la caz la caz, cel mai sensibil fiind otelul.

Cresterea granulatiei si a porilor conduce la o crestere a permeabilitatii. Porii sunt mai mari si exista mai multe cai de comunicatie intre ei. Daca granulele sunt mici, vor umple mai bine spatial, vor fi pori mai putini si de dimensiuni mai mici, caile de comunicatie dintre pori vor fi mai putine si mai sinuoase. Cu cat canalele de comunicatie dintre pori sunt mai sinuoase si de sectiune mai mica cu atat permeabilitatea este mai scazuta. Cu cat grosimea stratului depus prin pulverizare este mai mare cu atat probabilitatea ca porii si canalele de comunicatie sa corespuna dintr-o parte in alta a stratului este mai mica si chiar daca exista o anume corespondenta, rezistenta hidrodinamica datorata lungimii canalelor si pierderii de presiune la schimbarile de sectiune si de directive este atat de mare incat, practice, stratul este impermeabil.

Proprietatile antifrictiune ale straturilor metalizate depind de natura materialului depus prin pulverizare si de porozitatea stratului.

Pe de o parte natura materialului depus prin pulverizare determina coeficientul de frecare dintre cele doua suprafete aflate in contact, dar pe de alta parte porii acumuleaza lubrifiant, contribuie la marirea rezistentei la strivire a peliculei de lubrifiant dintre cele doua suprafete aflate in contact si astfel se reduce frecarea dintre cele doua suprafete.

Proprietățile chimice ale straturilor depuse prin pulverizare termică

Compozitia chimica a stratului de material depus prin pulverizare termica difera foarte mult de compozitia chimica a materialului de adaos care se pulverizeaza din cauza oxidarilor care au loc atat pe drumul parcurs de picatura de material de la metalizator pana la suprafata de depunere, cat si dupa solidificarea pe suprafata piesei, in timpul racirii pana la temperatura ambianta.

Continutul de oxizi al stratului depus prin pulverizare depinde de:

Natura si forma de prezentare a materialului de adaos: este mai mare in cazul pulberii fata de sarma;

Tehnica de pulverizare: moderat la pulverizarea cu falcara, mai putin la pulverizarea cu arc electric sic el mai putin la pulverizarea cu plasma;

Continuitatea procesului de pulverizare

Distanta de pulverizare.

Rezistenta la coroziune depinde de:

Natura materialului depus prin pulverizare termica;

Porozitatea stratului depus prin pulverizare termica;

Grosimea stratului depus prin pulverizare termica;

De cuplul de material depus – material de baza.

Daca sunt intrunite conditiile ca stratul de material depus prin pulverizare termica sa separe complet materialul de baza de mediul ambiant (porozitate mica si grosime sufficient de mare), atunci stratul de material depus prin pulverizare poate juca rolul de strat de protective. Este cazul metalelor inoxidabile: Ni, Cr, Sn, etc.

Proprietăți ale straturilor depuse prin pulverizare termică în funcție de procedeul ales

Proprietati ale stratului de acoperire obtinut prin metalizare prin pulverizare cu flacara

Rezistenta la suprafata de aderenta are valori obisnuite cuprinse intre 15 si 30 MPa, dar poate atinge 60 MPa in cazul depunerilor de NiAl si chiar 70 MPa in cazul aliajelor autofluxante;

Porozitatea este cuprinsa intre 10 si 20%;

Duritatea stratului depus depinde de natura materialului care se depune; este de precizat ca se obtin duritati mari pentru ca straturile depuse prin metalizare prin pulverizare (indiferent de procedeu) au structure de tratament termic datorita vitezei mari de racire a materialului depus (este de precizat ca materialul de baza nu trebuie sa depaseasca 473…523 K, astfel ca stratul se raceste relative repede);

Grosimea stratului depus prin metalizare cu flacara, in functie de morfofunctionalitatea suprafetei piesei reconditionate, poate fi curprinsa intre 0.3 si 2.5 mm; pentru grosimi mai mari procedeul devine nerentabil.

Proprietati ale stratului de acoperire obtinut prin metalizare prin pulverizare prin detonatie

Proprietățile stratului de acoperire care se pot obtine la metalizarea prin pulverizare prin detonatie sunt urmatoarele:

Rezistenta la suprafata de aderenta are valori de peste 80 MPa pentru depunerile WC-Co sau de 70 MPa pentru depunerile de Al2O3;

Porozitatea este cuprinsa intre 0.5 si 1%;

Duritatea stratului depus depinde de natura materialului care se depune;

Grosimea stratului depus prin metalizare cu flacara de mare viteza, in functie de morfo-functionalitatea suprafetei piesei reconditionate, este de 0.05…0.1 mm, dar poate atinge si 0.3 mm; pentru astfel de materiale nu se utilizeaza grosimi mai mari.

Proprietati ale stratului de acoperire prin metalizare prin pulverizare cu arc electric

Rezistenta la suprafata de aderenta depinde de natura materialului care se depune si are valori de peste 10…30 MPa pentru depunerile de Zn si Al, dar poate atinge si valori de 70 MPa pentru depunerile de NiAl;

Porozitatea este cuprinsa intre 10 si 20%, dar poate fi scazuta pana la 7…8%;

Duritatea stratului depus depinde de natura materialului care se depune;

Grosimea stratului depus prin metalizare prin pulverizare cu arcul electric, in functie de morfo-functionalitatea suprafetei piesei reconditionate, este de 0.5…2.5 mm;

Proprietatile stratului de acoperire prin metalizare prin pulverizare cu jet de plasma in atmosfera controlata

Rezistenta la suprafata de aderenta depinde de natura materialului care se depune si pentru straturi eramice are valori de peste 20…25 MPa; rezistenta la aderenta pentru straturi metalice ca Mo, NiAl sau NICrAl poate ajunge si la 70 MPa;

Structura stratului depus prin pulverizare cu plasma este foarte fina, ceea ce conduce la o porozitate mica si caracteristici mecanice foarte bune;

Porozitatea este de 1…7%;

Duritatea stratului depus depinde de natura materialului care se depune;

Grosimea stratului depus prin metalizare prin pulverizare cu jet de plasma este cuprinsa intre 0.05 si 0.5 mm.

Proprietatile stratului de acoperire prin metalizare prin pulverizare cu jet de plasma in vid

Rezistenta la suprafata de aderenta este foarte mare, peste 80 MPa si este imposibil de masurat prin testul de tractiune care utilizeaza rasini epoxidice, ceea ce inseamna ca rezistenta poate fi mult mai mare, apropiata de rezistenta materialelor de baza;

Structura stratului depus prin pulverizare cu plasma este foarte fina, ceea ce conduce la o porozitate mica si caracteristici mecanice foarte bune;

Porozitatea este de 1…2%;

Duritatea stratului depus depinde de natura materialului care se depune;

Grosimea stratului depus prin metalizare prin pulverizare cu jet de plasma in vid este cuprinsa intre 0.150 si 0.500 mm

Proprietatile stratului de acoperire prin metalizare prin pulverizare cu flacara de mare viteza(HVOF)

Rezistenta la suprafata de aderenta are valori obisnuite cuprinse intre 40 si 60MPa, dar poate atinge 90MPa in cazul depunerilor de carburi metalice

Porozitatea este mai mica de 1%

Duritatea stratului depus depinde de natura materialelor care se depun

Grosimea stratului depus prin metalizare cu flacara de mare viteza in functie de morfo-functionalitatea suprafetei piesei reconditionate, este de 0.2…0.3 mm dar poate atinge si 0.5mm ; pentru grosimi mai mari procedeul devine nerentabil

Interdependența parametri-proprietăți

Pe lângă influență ce o are temperatura asupra substratului, orice acoperire depinde

foarte mult de controlul celorlalte variabile precum: [50], [133]

– pregătirea suprafeței;

– distanța de pulverizare;

– unghiul de pulverizare;

– viteza relative între pistoletul de pulverizare și partea care urmează să fie acoperite.

Principalii parametri tehnologici ce influențează calitatea stratului depus depind de

fiecare procedeu de pulverizare termică (tabelul 2.3.). [35], [52], [142], [154]

Tabelul 2.3. Principalii parametri tehnologici ce influențează proprietățile stratului depus :

In figura 4.1 se arata variația vitezei particulelor și a temperaturii gazelor pentru diverse metode de pulverizare termică.

Fig. 2.2 Variația vitezei particulelor și a temperaturii gazelor pentru diverse metode de pulverizare termică

Tratamente post pulverizare ale stratului depus

Tratamentele termice [1] se aplica straturilor metalizate prin pulverizare pentru a se atinge urmatoarele obiective :

marirea rezistentei la aderenta fata de materialul de baza

reducerea porozitatii stratului depus prin pulverizare

cresterea conductivitatii termice si electrice a stratului depus prin metalizare prin pulverizare.

In Tabelul 5.1. sunt prezentate cateva exemple privind tratamentul termic aplicat unor straturi depuse prin pulverizare.

Incalzirea in vederea tratamentului termic trebuie sa se faca cu viteza foarte mica atunci cand coeficientii de dilatare termica al materialului de baza si al stratului depus prin pulverizare termica sunt diferiti. In urma incalzirii in cuptor se obtine o sinterizare a stratului depus fata de materialul de baza cat si a particulelor depuse intre ele. Creste atat aderenta la materialul de baza cat si caracteristica mecanica a stratului depus.

Tabelul 5.1. Exemple de tratament termic aplicat straturilor metalizate prin pulverizare

O varianta moderna de tratament termic este retopirea cu laser a stratului depus prin metalizare prin pulverizare. Retopitrea cu laser se executa in vederea reducerii porozitatii. Se aplica in cazul straturilor metalice [1], [4]. Nu se aplica in cazul straturilor ceramice deoarece se produce fisurarea straturilor in directie perpendiculara pe suprafata. In figura 5.1 este prezentata o piesa pulverizata, careia i s-a aplicat un tratament de retopire cu laser

Figura 5.1. Ranforsant – corp taietor din carbura de wolfram cu portiuni retopite cu laser

In Tabelul 5.2 sunt prezentate cateva exemple ale cresterii diferitelor proprietati in urma retopirii cu laser.

Tabelul 5.2 Exemple de retopire cu laser aplicate straturilor metalizate prin pulverizare

Presarea isostatica la temperaturi inalte

Presarea isostatica la temperaturi inalte consta in aplicarea unei presiuni isostatice de peste 300 MPa la temperatura inalta, peste 2300K. Piesele care se trateaza se introduc intr-o incinta de mare presiune in care se introduce Ar sub presiune. Dupa inchiderea incintei, prin cresterea temperaturii si dilatarea gazului se obtine presiunea isostatica de peste 300 MPa. Tratamentul se poate aplica pieselor de mici dimensiuni. [1]

Cateva exemple de crestere a proprietatilor prin tratament isostatic la inalta temperatura sunt prezentate in Tabelul 5.3

Tabelul 5.3 Proprietati obtinute prin tratamentul isostatic

Presarea isostatica este unul dintre cele mai eficiente tratamente aplicate dupa metalizare si este folosit azi la scara foarte larga.

Acesta adduce o serie de avantaje si o imbunatatire a proprietatilor straturilor depuse.

Eliminarea porozitatilor

Productivitate ridicata

Nivel scazut de span rezultat

Necesitate de prelucrare a piesei mai scazuta sau fara prelucrare dupa tratament

Imbunatatirea proprietatilor mecanice

Cresterea rezistentei la oboseala si la temperaturi extreme

Rezistenta mai mare la impact, uzura si abraziune

Imbuntatirea proprietatilor ductile

Creserea aderentei materialului de baza

Impregnarea straturilor depuse prin metalizare prin pulverizare

Impregnarea straturilor depuse prin metalizare prin pulverizare se utilizeaza pentru a se inchide porii si interconexiunile dintre pori si canale in vederea cresterii rezistentei la coroziune si in unele cazuri, a rezistentei la uzare. Substanta de impregnare aflata in stare lichida, patrunde in pori si canale prin capilaritate unde se solidifica. Pentru impregnare se pot utiliza fie substante anorganice, fie organice.

Carr si Jones [4] au aratat ca straturile de ZrO2 depuse prin metalizarea prin pulverizare cu jet de plasma in atmosfera se pot impregna cu Cr2O3. Substanta de impregnare este formata din apa si Cr hexavalent si se aplica pe suprafata stratului prin pulverizare, fie prin imersie, fie prin aplicare cu pensula. In urma unui tratament la 810 K are loc conversia Cr in Cr2O3. In urma a 12..14 cicluri de impregnare se poate obtine o crestere a microduritatii Vickers de la 300 la 1500.

Ito, Nakamura [15] au aratat ca au impregnat un start depus din Ti –Mo prin pulverizare cu jet de plasma in atmosfera cu Cu. Piesa a fost impachetata cu folii din Cu, plasata intr-o incinta vidata la 0.1 Pa si incalzita la 1370 K (putin mai mare decat temperatura de topire a Cu) timp de 10…30 min. S-a obtinut o crestere a aderentei la materialul de baza si o rezistenta superioara la coroziune.

Dintre susbstantele organice utilizate pentru impregnarea straturilor pulverizate se pot aminti rasinile siliconice, epoxidice si rasinile fenolice. Aplicarea acestora pe suprafata stratului pulverizat se face tot prin pulverizare.

Concluzii

Concluzii:

1) În cazul când stratul lucrează împreună cu materialul de bază, stratul preia toate tipurile de solicitări în limite corespunzătoare limitei de elasticitate, a metalului de bază al piesei.

2) Calculul de rezistență al pieselor trebuie făcut pentru dimensiunile secțiunii metalului de bază rămase după pregătire, de exemplu după strunjire și asperizare, fără a lua în considerare grosimea stratului depus prin metalizare.

3) Din cauza friabilității acestor acoperiri, ele trebuie folosite numai în cazul solicitărilor statice și al frecărilor cu ungere.

4) Piesele metalizate au duritate superficială și o rezistență la uzare mai mare, însă rezistență lor la coroziune este mai mică decât cea a metalului inițial

Rezistența la aderență asigură fiabilitatea piesei , aceasta nu poate fi măsurată direct pe piesă, ci numai pe epruvete. Aprecierea se va face prin intermediul unui test nedistructiv. În această teză s-a ales ca tehnică de defectoscopie, controlul nedistructiv prin curenți turbionari, care pot da informații despre calitatea aderenței, între interfața material de bază-material de adaos. Factori care influențează aderența materialului de adaos la

materialul de bază sunt [52]:

1. rugozitatea suprafeței așchiate în vederea metalizării;

2. modul de pregătire a suprafeței;

3. distanța de pulverizare.

4. recondiționarea pieselor are ca scop transformarea pieselor uzate în piese capabile să-și

mai poată îndeplini rolul functional;

5. rezistența la uzare depinde de: structură, duritate, tensiunile din stratul depus pe suprafața

uzată și de calitatea suprafeței după prelucrarea mecanică;

6. pentru realizarea unor straturi cu duritate foarte mare, se recomandă utilizarea materialelor

sub formă de pulberi;

7. grosimea stratului depus variază în funcție de procedeul de recondiționare (câțiva microni

până la peste 10 mm);

8. în urma pulverizări se obține o porozitate mare a stratului depus, ceea ce se recomandă

metoda pentru durificare a unor suprafețe în vederea creșterii rezistenței la uzare;

9. metodele de acoperire a suprafețelor în vederea acoperirii se stabilesc în funcție de

specificul piesei, grosimea materialului depus și starea inițială a suprafețelor.

ANALIZA TERMO-MECANICĂ PRIN ELEMENT FINIT A STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

În această parte a lucrării se prezintă o analiză efectuată pentru a determina comportamentul termo-mecanic la interfața strat-substrat în cazul pulverizării termice, utilizând software-ul ANSYS R15.0. Analiza se face prin utilizarea a doua module: analiză termică și analiză statică, prin metoda elementului finit (FEM).

Studiul a fost efectuat pe probe din oțel înalt aliat, pulverizate pe o parte, după cum urmează [98]:

– Pentru prima probă (P1), materialul utilizat pentru stratul depus este ZrO2 stabilizată cu Y2O3 (ZrO2 + 20% Y2O3);

– Cea de-a doua probă (P2) a fost pulverizată cu aliaj de tip stellite (pe bază de Co-Cr).

Această analiză urmează ideea distribuirii temperaturii împreună cu celelalte caracteristici care definesc starea termică a unui obiect: cantitățile de căldură eliberate sau absorbite, gradientul termic și debitul termic. Pentru a determina cauzele dilatației sau contracțiilor termice, analiza este urmată de o analiză a tensiunilor. Aplicația propune stabilirea valorilor maxime de tensiuni echivalente Von Mises și totalul deformațiilor produse de câmpul de căldură.[29][30]

În ceea ce privește o aplicație reală, se pleacă de la ideea determinării rezistenței la uzare (exfoliere) a stratului depus prin pulverizare termică.[98]

Date de intrare

În studiul de caz prezentat, se evidențiază comportamentul termo-mecanic la interfața strat-substrat în cazul acoperirilor obținute prin pulverizare termică. Pentru a efectua analiza au fost realizate probele de oțel înalt aliat X22CrMoV12-1, pulverizate termic pe o parte. Cele două epruvete au dimensiunile 100x60x5 mm.

Figure 30.1Desenul de execuție al epruvetelor

Pentru P1, depunerea a fost făcută în trei etape:

– strat de legătură (acroșaj) din aliaj Cr-Ni, cu grosime de 0,01 mm;

– strat intermediar de Zirconia stabilizată pseudo-aliaj Ceria-Yttria, cu grosime de 0,01 mm

– strat de acoperire de ZrO2 stabilizată cu Yttria (ZrO2 + 20% Y2O3), de 0,3 mm grosime (vezi Figura 3)

Pentru P2, așa cum se prezintă în figura…, depunerea a fost realizată cu un singur strat din aliaj de tip stellite pe bază de cobalt-crom (Stellite 6)

Procesarea datelor cu ajutorul ANSYS R15.0

Metoda elementului finit presupune trei etape principale [29][30]:

1. pre-procesor (faza în care modelul este realizat, iar proprietățile fizice și parametrii de lucru sunt stabilie);

2. faza de soluție;

3. post-procesor (faza de afișare a rezultatelor sub formă grafică)

Pentru a obține rezultate corecte este foarte important să se acorde atenție în faza de

dezvoltare a modelului de calcul. Primul pas este de a realiza modelele tridimensionale pentru

cele două cazuri.. Geometria modelelor este concepută cu ajutorul Design Modeler – interfață grafică. În

Fig. 4.3.1 este prezentată vederea izometrică a modelelor 3D rezultate.

Pentru o simulare cât mai corectă, modelul geometric al materialului de bază va fi creat cu ajutorul elementelor solide, iar stratul depus va fi creat de tip suprafață.

Fig. 0.1

În etapa următoare s-a realizat legătura dintre geometriile obținute și analiza termică, respectiv analiza structurală. (Fig. 4.3.2)

Fig. 0.2 Legăturile dintre modelul geometric și analize

O dată ce au fost definite volumele structurilor studiate, este necesară atribuirea caracteristicilor și proprietăților fiecărui material. Trebuie acordată o deosebită atenție selecției materialelor. A fost accesată interfața dedicată, numită Engineering Data(Fig. 4.3.3), care conține un numar foarte mare de materiale deja definite. Bineînțeles, există și posibilitatea de a adăuga materiale noi în această bibliotecă.

Fig. 0.3Interfața dedicată Engineering Data

Caracteristicile substratului sunt prezentate în Tabelul 2

Tabelul 0.1 Proprietățile materialului de bază (X22CrMoV12-1)

În tabelul 2 sunt prezentate caracteristicile ZrO2 stabilizată cu Y2O3

Tabelul 0.2 Proprietătile ZrO2 stabilizată Y2O3 (ZrO2+20% Y2O3)

Caracteristicile materialului Stellite 6 sunt prezentate în Tabelul 4

Tabelul 0.3 Proprietățile materialului Stellite 6

Următoarea etapă este crearea modelului discretizat prezentat în Fig. 4.3.4. Numărul de elemente este de 360, iar numărul de noduri este 1612, cu o calitate medie de 88%

Fig. 0.4 Discrezizarea modelului

După finalizarea discretizării modelului, următorul pas constă în stabilirea parametrilor de timp și atemperaturilor implicate în această analiză.

Cele două structuri sunt păstrate la o temperatură a mediului ambiant de 22 ° C. În Fig. 4.3.5 de mai jos este prezentată diagrama testării la șoc termic în funcție de timp.

Fig. 0.5Diagrama încercării la șoc termic

Aceasta a fost programată în 3 pași, după cum se explică mai jos :

– în prima parte a experimentului, fiecare dintre probe este supusă unui șoc termic, sursa de căldură fiind orientată spre stratul pulverizat (Figura 9). În 60 de secunde temperatura probelor ajunge la 1400 șC ;

– probele sunt menținute timp de 120 de secunde la această temperatură constantă de 1400 șC ;

– în ultima parte a experimentului, o răcire bruscă în jet de aer a fost aplicată structurilor, astfel încât piesele au fost readuse la temperatura de 22 °C în 60 de secunde.

Rezultate și discuții

Rezultatele în urma acestui ciclu de încălzire – răcire sunt: distribuția de temperatură în materialul de bază, căldura specifică totală și direcția căldurii specifice. În figura 4.12. este

reprezentată distribuția de temperatură în utima etapă a ciclului, la 420s.

De la începutul ciclului termic, se pot observa tensiunile minime și maxime la interfața dintre materialul de bază și cel depus.

Tensiunile echivalente (de tip von Mises) apărute în proba P1 se află în intervalul 0.8-3200 MPa. (vezi Fig. 4.3.6)

Fig. 0.6 Tensiuni echivalente Von Mises la interfața oțel – ZSY

Pe de altă parte, tensiunile echivalente din proba P2, nu ating valori foarte mari, intervalul fiind 0-22.8 MPa, după cum se poate vedea în figura

Fig. 0.7 Tensiuni echivalente Von Mises la interfața oțel – aliaj stellite

Analizând separat valorile ale tensiunilor echivalente (von Mises), se observă o foarte mică diferență de doar 9 MPa între cele rezultate în strat (aliaj de tip stellite pe bază de Co-Cr) și cele din substrat (oțel înalt aliat).

Fig. 0.8 Tensiuni von Mises în fiecare dintre straturile probei P2

În ceea ce privește caracteristicile care definesc starea termică a obiectului, se poate observa că fluxul total de căldură atinge o valoare maximă de 0,433 W/ mm2 în structura probei P2 oțel-stellite

O diferență aproape nesemnificativă, raportată la P2, poate fi observată în cazul probei P1 (oțel-ceramică), unde valoarea maximă a fluxului de căldură este de 0,432 W / mm2

De asemenea, a fost generat un grafic al fluxului total de căldură în structura celor două probe, așa cum se poate vedea în figura 14 de mai jos:

Concluzii

Prin rezultatele obținute cu FEM, se confirmă impactul pe care îl are aplicarea șocului termic asupra structurii, ceea ce ar conduce în realitate la o exfoliere a stratului depus prin pulverizare termică.

Metoda elementului finit poate furniza informațiile necesare privind distribuția temperaturii, debitul total de căldură și, de asemenea, comportamentul mecanic al probelor sub influența căldurii. [71]

Este posibilă o optimizare a procesului tehnologic de metalizare prin pulverizare adaptată la condițiile de lucru solicitate în diferite situații de operare, care poate fi realizată prin modificarea grosimii stratului. [98]

Prin analiza FEM, aplicată prin software-ul ANSYS, se pot înțelege și interpreta fenomenele termo-mecanice care au loc la interfața strat de bază – strat pulverizat. [98]

Rezultatele obținute arată că solicitările la interfață sunt mai scăzute în cazul acoperirii cu stellite. Aceasta se datorează faptului că atât oțelul, cât și stelitul au caracteristici termo-fizice mai apropiate decât au oțelul și zirconia stabilizată cu yttria, inclusiv cu stratul intermediar. [98]

Conductivitatea termică scăzută a stratului ceramic nu permite o transmitere rapidă a temperaturii. Ceramica are o variație mai mică a căldurii decât oțelul. O dată cu trecerea timpului, curba temperaturii se aplatizează. [98]

STUDII ȘI CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND REZISTENȚA LA ADERENȚĂ A STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

BAZE TEORETICE PRIVIND ÎNCERCĂRILE DISTRUCTIVE ALE STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

În prezent, încercările distructive a straturilor depuse prin tehnologia de pulverizare termică sunt standardizate, iar scopul acestora este de a determina rezistența la aderență.

În vederea cercetării se vor lua în calcul 2 metode: încercarea la tracțiune și încercarea la forfecare. In prezentul raport stiintific sunt prezentate rezultatele experimentale obtinute la incercarea la tractiune. Acestea dau o imagine asupra calității straturilor depuse prin pulverizare termică din punct de vedere al aderenței.

Determinarea rezistentei la aderență prin incercarea la tractiune

Metoda si conditiile de incercare pentru determinarea rezistentei la aderenta prin incercarea la tractiune sunt definite de standardul SR EN ISO 14916:2017.

Incercarea consta in aplicarea pe epruveta a unei sarcini de tractiune, in mod uniform si fara socuri, pana la desprinderea stratului depus.

Dimensiunile epruvetei sunt prezentate in Fig. 3.1

1 – epruvetă acoperită, 2 – epruvetă ajutătoare, 3 – strat de material depus, 4 – strat de adeziv

Epruveta se compune din doua corpuri :

– Corpul 1, pe care se aplica frontal prin pulverizare termica un strat de material de adaos 3

– Corpul ajutator 2

Conditiile de acoperire trebuie sa fie identice cu cele pentru acoperirea prin pulverizare termica a pieselor.

Pregatirea suprafetelor in vederea acoperirii se executa conform STAS 11684/2-83.

Cele doua corpuri se lipesc prin aplicarea unui adeziv 4 pe suprafetele frontale ale celor doua corpuri. Alegerea adezivului se face astfel incat rezistenta lui sa fie egala sau mai mare decat rezistenta materialul depus prin pulverizare termica. Pregatirea suprafetelor in vedera lipirii se face dupa specificatiile producatorului adezivului. La executarea lipirii celor doua corpuri trebuie sa se evite eventualele solicitari la indoire si se recomanda fixarea acestora intr-un dispozitiv in forma de prisma.

In cazul in care cele doua corpuri ale epruvetei se executa din materiale de rezistenta mica se prevad filete de diametru si lungime corespunzatoare sau se pot monta bucse filetate in corpurile epruvetei.

Se verifica unghiul drept dintre axele corpurilor epruvetei si suprafete frontale. Toleranta la perpendicularitate admisa este de 0.05 mm conform STAS 7391/3-74. Diametrul epruvetei se masoara cu o precizie de 0.1 mm.

Grosimea stratului de material depus trebuie sa fie de minim 0.15 mm. In cazul acoperirilor cu oxizi si carburi, grosimea stratului de material depus va fi de maximum 0.4 mm, iar in cazul aliajelor metalice de max 0.8 mm.

Incercarea se executa pe masina de incercat la tractiune, clasa de precizie 1 – conform STAS 1510-80, prevazuta cu un dispozitiv de fixare. Dispozitivul de fixare trebuie sa permita o centrare buna si o incarcare uniforma a epruvetei. Epruveta impreuna cu dispozitivul de fixare se monteaza pe masina de incercat. Incarcarea epruvetei se executa continuu si progresiv. Viteza de incarcare este de 1000 N/s ± 100N/s.

Incercarea se executa in conditiile mediului ambiant conform STAS 6300-81, pe cel putin 5 epruvete, daca in standardul de produs sau in documentatia tehnica nu se prevede altfel. Se iau in considerare epruvetele la care ruperea se produce in materialul depus sau pe suprafata de aderenta.

Rezistenta la aderenta , Rad prin incercarea la tractiune se calculeaza cu relatia :

[N/mm2], (3.1.)

în care : Fmax este forta maxima de tractiune aplicata epruvetei, masurata in N

S – aria sectiunii transversale a epruvetei in portiunea acoperita, masurata in mm2

Rezistenta la aderenta este media valorilor determinate cu relația 3.1.

Determinarea rezistenței la aderență prin încercarea la forfecare

Încercarea la forfecare se execută la temperatura mediului ambiant, conform STAS 6300-81. Condițiile si metoda de încercare pentru determinarea rezistenței la aderență prin încercarea la forfecare sunt definite de standardul SR EN 15340 :2007.

Aceasta incercare consta in aplicarea pe direcția axei longitudinale a epruvetei a unei sarcini de compresiune pana la desprinderea prin forfecare a stratului de material depus.

Dimensiunile epruvetei sunt prezentate in figura 4.2. si se masoara cu o precizie de 0.1 mm.

Pregatirea suprafetelor in vederea acoperirii se realizeaza conform STAS 11684/2-83. Grosimea stratului de material depus se indica sa fie de 2 – 2.5 mm

Conditiile de acoperire trebuie sa fie identice cu cele pentru acoperirea termica prin pulverizare a pieselor. Dupa o ora de la terminarea acoperirii, epruveta se prelucreaza la dimensiunile standard. Se vor executa trei canale si se prelucreaza un capat pentru a obtine 3 suprafete inelare de material depus conform dimensiunilor din figura 1.2.

Fig. 3.2 Epruvetă pentru determinarea rezistenței la aderență prin încercarea la forfecare

Epruveta 1 impreuna cu bucsa 2, se monteaza pe masina de incercat (figura 1.3.), asigurand perpendicularitatea dintre directia de aplicare a fortei si suprafata de asezare a inelului de material depus.

Fig. 3.3 Epruvetă pentru determinarea rezistenței la aderență prin încercarea la forfecare

1 – epruvetă ; 2 – bucșă support.

Incercarea se executa pe o masina de incercat avand clasa de precizie 1, conform STAS 1510-87.

Se incarca epruveta pana la desprinderea inelului inferior de material depus prin pulverizare si se citeste sarcina maxima din timpul incercarii. Viteza de incarcare a epruvetei este 8500N/s. Se scoate epruveta din masina si se indeparteaza inelul desprins si resturile de material depus prin pulverizare de pe suprafata inelara, care va deveni suprafata de ghidare pentru incercarea pe inelul urmator, cel mijlociu. Similar se procedeaza si la desprinderea inelului mijlociu si a celui superior.

Incercarea se executa pe cel putin doua epruvete, daca in standardul sau documentatia tehnica a produsului nu se prevede altfel.

Rezistenta la aderenta , τad prin incercarea la forfecare se calculeaza cu relatia 1.2 :

[N/mm2], (1.2.)

F- forța maximă de compresiune aplicată epruvetei, exprimată in N

S – aria suprafeței de forfecare a inelului solicitat, exprimată in mm2

DETERMINAREA REZISTENȚEI LA ADERENȚĂ A STRATURILOR DE Cr2O3 PRIN TESTAREA DISTRUCTIVĂ LA TRACȚIUNE

Introducere

În zilele noastre, recondiționarea pieselor prin procedeul de pulverizare a metalelor este o metodă foarte frecvent utilizată. Stratul pulverizat reprezintă o structură compusă din particule puternic distorsionate și legate între ele prin suprafețele de contact. Scopul utilizării acestei metode este de a obține o îmbunătățire a proprietăților straturilor depuse datorită materialelor speciale care pot fi pulverizate.

Proprietățile straturilor de pulverizare metalice depuse prin jet de plasmă in atmosferă (APS) sunt remarcabile. În acest context, se poate vorbi nu numai despre recondiționarea prin pulverizare termică, dar apare și ideea de a condiționare a pieselor/suprafețelor încă din etapa de producție a produselor

Proprietățile straturilor depuse prin procedeul tehnologic APS sunt deosebite și depind de caracteristicile substratului (topologie, chimie etc.) și de starea particulelor de impact (cantitate, viteză, unghi de impact, vâscozitate, grad de topire etc.). Starea particulelor este legată de injectarea de particule (cantitate) și de caracteristicile fluxului plasmatic (entalpie, viteza, coeficientul de transfer termic, etc.).

Pornind de la această constatare se impune ideea de realizare a unor piese cu proprietăți dirijate/diferențiate care să îndeplinească și criteriul funcțional, dar și pe cel economic.

Dintre proprietățile straturilor depuse prin APS se detașează acelea de rezistență la uzare.

Dar, pentru ca procesul de metalizare să devină unanim acceptat trebuie ca să dea certitudinea obținerii unor piese de înaltă calitate, principala problemă a straturilor depuse prin pulverizare termică este aceea a aderenței la materialul de bază.

In aceasta parte a lucrarii se propune determinarea valorilor aderentei, dar si studierea corelației dintre unii parametri ai procesului de metalizare prin pulverizare termică APS și nivelul aderenței la materialul de bază

Pentru a obține o acoperire excelentă, se utilizează procedeul de metalizare cu plasma in atmosferă, iar instalația utilizată se prezintă in figura 3.4.

Fig. 3.4 Instalație de metalizare cu plasmă (APS)

Procesul de pulverizare cu plasmă implică căldura latentă a gazului inert ionizat utilizată pentru a crea sursa de căldură și care topeste materialul de acoperire și îl propulsează pe suprafața de recondiționat.

În comparație cu acoperirile ceramice pe bază de zirconiu, acoperirile cu oxid de crom au o micro-duritate mai mare. Acoperirile cu Metco106 (pulberi de oxid de crom) sunt recomandate pentru rezistența la uzare, prin granule abrazive, suprafețe dure, iar temperatura de lucru este sub 540˚C.

Performanța mecanică a unui strat de pulverizare termică depinde în principal de aderența sa la substrat și de coeziunea dintre particulele depuse.

Datorită naturii diferite a materialelor ceramice sau metalice, a vitezei particulelor și a căldurii transferate de la particule la substrat, se obține un grad diferit de micro-sudură.

S-a ținut cont de faptul că pentru suprafețele plane, condiția de a obține o aderență bună este dată de ecuația 5.1 :

unde: T1 – temperatura medie a piesei recondiționate; T2 – temperatura medie a stratului la sfârșitul procesului de pulverizare; α1 – coeficientul de dilatare termică liniară a materialului de bază; α2 – coeficientul de dilatare termică liniară a stratului pulverizat

Valorile coeficienților de dilatare termică sunt prezentate in tabelul 2.1.

Tabelul 3.1 Valorile coeficinților de dilatare termică

Studii și cercetări experimentale

Pulberea Metco 106 a fost aplicată cu succes cu o viteză de 600 m/s și a furnizat o bună acoperire. Mărimea granulației este între 0.005 si 0.1 mm, iar forma pulberii este redată în figura 2.2, așa cum o prezintă producătorul. Creșterea distanței de pulverizare reduce semnificativ rezistența la uzare a stratului de acoperire, în timp ce duritatea stratului de acoperire indică doar o ușoară scădere.

Fig. 3.5 Morfologia pulberii Metco 106

Parametrii procesului de metalizare prin pulverizare cu plasmă în atmosferă (APS) utilizați se regăsesc în tabelul 2.2.

Tabelul 2.2. Parametri de proces – metalizare APS

Datorită conductivității termice scăzute a oxidului de crom, eficiența depunerii este scăzută: 15-20%.

Compoziția chimică a pulberii de oxid de crom Metco 106 este prezentată în tabelul 2.3., iar cea a pulberii Metco 205NS în tabelul 2.4.

Tabelul 2.3. Compoziția chimică a pulberii Metco 106

Tabelul 2.4. Compoziția chimică a pulberii Metco 205NS

Determinarea rezistenței la aderență a stratului pulverizat s-a realizat prin metoda distructivă de încercare la tracțiune in conformitate cu standardul SR EN ISO 14916:2017

Instrucțiunile pentru efectuarea acestei testări sunt descrise în cadrul metodei de încercare standard ASTM C633-01 (2008) pentru aderența sau rezistența la coeziune a acoperirilor obținute prin pulverizare termică.

Pentru realizarea acestei încercări au fost utilizate epruvete cilindrice, conform secțiunii prezentate în figura 2.3.

Fig. 3.6 Dimensiunile epruvetelor testate

Au fost executate 7 perechi de epruvete din oțel OLC45. 7 semi-epruvete (vezi figura 2.4.) au fost metalizate prin pulverizare termică in jet de plasmă (APS), grosimea stratului depus fiind de 0.25-0.35 mm.

După realizarea probelor, suprafata substratului a fost sablată cu electrocorindon in prezența aerului comprimat la o presiune intre 4.5 – 5.5 atm (aproximativ 0.5 MPa). Conform parametrilor din tabelul 2.5. In urma sablarii s-a obtinut o suprafață curată si rugoasă (Ra = 6.3 – 12.5 µm). Înaintea depunerii prin pulverizare termică, suprafața de lucru s-a degresat cu acetonă.

Fig. 3.7 Pregătirea suprafeței prin sablare în vederea metalizării prin pulverizare termică

În următoarea etapă a fost depus un strat intermediar de pulbere – zirconia stabilizată pseudo-aliaj ceria-ytria CeO2-Y2O3-ZrO2 ( Metco 205NS).

Fig. 3.8 Epruvetă metalizată cu Cr2O3

În etapa finală s-a depus stratul de acoperire cu pulbere oxid de crom Cr2O3 (Metco 106).

CeO2 are un coeficient termic de dilatare mai mare și conductivitate termică inferioară Zirconia stabilizata cu Ytria. În figura 2.5. este prezentată o secțiune transversală cu structura epruvetei, reprezentând materialul de bază (OLC 45), stratul intermediar (CeO2-Y2O3-ZrO2) și stratul de acoperire Cr2O3.

Fig. 3.9 Secțiune reprezentând straturile epruvetei

Adaptată in mod special pentru acoperiririle prin pulverizare termică, încercarea constă în acoperirea unei suprafețe, lipirea acestui strat de acoperire de o altă suprafață, fixarea într-un dispozitiv și supunerea acestui ansamblu la o sarcină de tracțiune normală față de planul stratului depus. In figura 2.6. este prezentată semi-epruveta metalizată înainte de lipirea cu cealaltă semi-epruvetă.

Fig. 3.10 Semi-epruvetă utilizată pentru metalizare

Pregătirea suprafețelor pentru lipire s-a efectuat conform specificațiilor producătorului și constă în: prelucrarea prin așchiere a suprafețelor de lucru pentru a asigura rugozitatea Ra <0,8 și precizie de perpendicularitate pe axa piesei, degresare cu acetonă și decapare.

Cele două semi-epruvete de testare au fost lipite prin aplicarea unui adeziv epoxidic de inaltă rezistență (vezi figura 2.7.), pe suprafața frontală a unuia dintre corpuri. Pentru a obține o legătură bună, s-a aplicat o presiune de 50 N/cm2.

Fig. 3.11 Adeziv tip HTK Ultra Bond 100 utilizat pentru lipirea epruvetelor

Alegerea adezivului a fost făcută astfel încât rezistența acestuia să fie egală sau mai mare decât cea maximă prevăzută în cazul aderenței stratului prin procedeul de pulverizare termică (de exemplu, prin APS se poate obține 60-70MPa – în cazul carburilor, prin VPS pot fi atinse valori ale 80-90 MPa). Suprafețele de lipire trebuie să fie perpendiculare, astfel încât în timpul testării distructive să nu apară tensiuni de încovoiere a îmbinării.

Dupa lipire, epruvetele (vezi fig 2.8) au fost supuse incercarii la tractiune cu o viteza de încărcare constantă (continuu si progresiv) de 0.75 mm/min. pana la producerea ruperii, înregistrandu-se forta maxima. Rezistenta la aderenta la tractiune a fost calculata ca fiind raportul dintre forta maxima si suprafata sectiunii transversale a epruvetei ( = Fmax/S).

Fig. 3.12 Semi-epruvete lipite cu adeziv

Testul a fost efectuat pe mașină pentru încercarea la tracțiune INSTRON 8802.

Această mașină servohidraulica utilizata la realizarea experimentelor prezentei teze, corespunde clasei de precizie 1 – conform STAS 1510-87 si este prezentata în figura 2.9.

Caracteristici tehnice ale mașinii:

– celula de forta +/- 250kN;

– bacuri hidraulice de prindere;

– dispozitive de adaptare pentru tractiune, compresiune, incovoiere, forfecare;

– temperatura de lucru 25 – 1000°C (cuptor cu trei zone de incalzire prin termocuple integrate, pentru accesorii de diametru 303mm si lungime 358mm) ,

– extensometru (lungime 10,25,50mm) pentru masurarea deformatiilor, deplasarilor;

-distanta intre piston si traversa: intre 1300 si 1600 mm; cursa pistonului: +/- 50 mm; – software utilizat: BlueHill 2 si WaveMatrix;

– materiale testate: otel, neferoase, materiale plastice, materiale compozite, lemn, hartie, textile.

Fig. 3.13 Mașina pentru încercarea la tracțiune a epruvetelor

Dispozitivul permite centrarea și încărcarea uniformă a epruvetei. Proba este montată pe dispozitivul de prindere al mașinii.

În figura 2.10 este prezentată schema de principiu a încercării la tracțiune:

Fig. 3.14 Schema de principiu a încercării la tracțiune

Calculul rezistenței la aderență s-a efectuat cu următoarea formulă:

unde:

Fmax – forța maximă de tracțiune aplicată epruvetei, masurată în N

S – aria secțiunii transversale a epruvetei în porțiunea acoperită, masurată în mm2

Examinarea prin termografiere în infraroșu

Înaintea încercării la tracțiune, probele au fost examinate prin termografire în infraroșu. Epruvetele nr. 2 și nr. 5 au prezentat defecte în stratul pulverizat, așa cum se observă din figura 2.11.

Fig. 3.15 Epruvete ce prezintă defecte

Defectoscopia nedistructivă permite detectarea defectelor din stratul depus prin metalizare și a defectelor de la interfața material depus – material de bază, fără a fi afectate integritatea și proprietățile piesei.

Straturile pulverizate termic sunt caracterizate ca straturi poroase, deci nu se pune problema detectării porilor. Se pot detecta următoarele defecte: non-aderențe, exfolieri parțiale, fisuri, goluri, etc.

Controlul cu radiatii infrarosii poate fi o metoda care poate da informatii despre calitatea aderentei prin faptul ca apreciaza fluxul termic prin interfata material de baza – material de adaos. Cu cat numarul punctelor de ancorare este mai mare si cu cat contactul in punctele de ancorare este mai bun cu atat fluxul de caldura se va transmite mai efficient in toata piesa, iar zona termoiradianta va fi cu atat mai rece cu cat aderenta va fi mai buna.

Examinarea termografica are, fata de celelalte metode, urmatoarele avantaje:

– ofera posibilitatea examinarii la distanta;

– pot fi examinate suprafete mari in timp scurt;

– defectele, problemele de functionare si tendintele de defectare sunt detectate rapid, fara oprirea din functionare si fara necesitatea transportului la un laborator specializat;

– scanarea termica este non-invaziva, putand fi repetata ori de cate ori este nevoie;

– se pot examina produse sau suprafete greu accesibile sau in miscare;

– ofera posibilitati de automatizare;

– are sensibilitate mare (± 0.1 șC);

– poate pune in evidenta calitatea aderentei stratului depus la materialul de baza prin metalizare prin pulverizare, deoarece eficienta transmiterii caldurii prin interfata este direct dependenta de numarul si calitatea micropuntilor de legatura.

Echipamentele utilizate pentru termografierea in infrarosu in impulsuri

Un sistem de examinare termografica, ce poate fi utilizat atat in varianta activa cat si in varianta pasiva, de regula, cuprinde urmatoarele componente:

– camera radiometru

– sistem de incalzire,

– masă pentru a permite deplasarea dupa trei axe de coordonate,

– sursa de curent electric pentru alimentarea sistemului de incalzire si actionarea motoarelor care asigura deplasarea componentelor pe masa-suport,

– corp negru pentru etalonarea sistemului,

– soft specializat si computer adecvat.

Exista o gama larga de aparate de preluat imagini in infrarosu, iar cele mai moderne au un detector cu elemente sensibile multiple denumit FPA – Focal Plan Array.

Fig. 1.4 – Sistem de examinare prin termografiere cu blitzuri de radiatie infrarosie (Laborator IMST)

In figura de mai sus (figura 1.4.) este prezentat un sistem informatizat compus dintr-o camera termografica tip FLIR A40M conectata la un computer cu softul adecvat camerei pentru prelucrare datelor si doua lampi de blitz.

Pentru obtinerea imaginilor termice ale probelor de examinat in vederea examinarii si interpretarii se aplica ciclul termic corespunzator parametrilor de examinare reglati.

In cadrul examinarii termografice se vizualizeaza distributia campului termic de la suprafata materialului, distributie care este dependent de starea acestei suprafete si de omogenitatea materialului. De regula aprecierile privind omogenitatea se fac doar pentru straturi aflate in apropierea suprafetei exterioare. Indicatia de defect se considera a fi orice variatie de temeperatura intre puncte sau zone din imaginea termica. Aceasta variatie poate fi pusa in evidenta printr-o indicatie numerica(citirea efectiva a temperaturii) sau printr-o indicatie coloristica(culori diferite allocate, pe imaginea termica, punctelor cu temperature diferite sau in cazul fotografiilor alb-negru nuante de gri diferite).

Initial, examinarea se poate face o singura data pentru toata suprafata. Locurile in care se constata prezenta indicatiilor de defect vor fi examinate a doua oara, folosind diferite regimuri de examinare. In cazul in care indicatiile de defect se refera la discontinuitati care urmeaza a se remedia, acestea vor fi inseminate vizibil.

Schema de principiu a procedeului

Termografierea in infrarosu se bazeaza pe captarea radiatiei infrarosii (tabelul 1.1.) emisa de obiectul examinat si convertirea acesteia prin intermediul unui detector intr-o marime electrica usor de masurat si de codificat pentru vizualizare sau pentru stocare sau inregistrare in vederea interpretarii.

Tabelul 1.1. Lungimile de unda pentru radiatia infrarosie – un segment al radiatiei electromagnetice.

Termografierea în infraroșu este o tehnică ce permite obținerea unei imagini sau scene termice observate într-un domeniu spectral din infraroșu cu ajutorul unei aparaturi adecvate. Prin imagine termică se înțelege o repartiție structurată a datelor reprezentative ale radiației infraroșii provenind de la o scenă termică – parte a spațiului-obiect care se observă cu o aparatură de termografie în infraroșu. Domeniul spectral denumit infraroșu (IR) este o bandă din spectrul radiației electromagnetice, situată între domeniul vizibil și cel al undelor radio, cu lungimi de undă cuprinse între 0,75 și 30 mm, din care, în defectoscopie, sunt folosite uzual doar intervalele 3,5 … 5 mm și 8 … 12 mm. Lungimile de undă se prezintă în figura 1.5.

Fig. 1.5. – Reprezentarea lungimilor de unda

Din punct de vedere principial schemele de termografiere pot fi grupate in doua mari grupe:

– metodele de control care necesita o sursa de caldura ca anexa a echipamentului de examinare, denumite metode active (vezi figura 1.6.).;

– metodele de control care constau in analiza sau masurarea fluxului termic furnizat de produsul examinat (caldura exista sau este produsa independent de procesul de examinare), denumite metode pasive (vezi figura 1.7.).

Principiul metodei active consta in incalzirea obiectului de examinat, de exemplu o placa metalica continand un defect plan, cu unul sau mai multe impulsuri termice produse de un ansamblu de blitzuri de radiatie termica alimentat de la o sursa de curent speciala. Metodele active se folosesc pentru: detectarea defectelor in materiale lipite, stratificate, acoperite, compozite (metalice sau nemetalice); masurarea grosimilor straturilor de acoperire sau invelisurilor; caracterizarea materialelor din punct de vedere al comportamentului termic; evaluarea structurii materialelor compozite polimerice.

Fig. 1.6. – Schema de principiu a termografierii active

Metodele active se folosesc pentru:

detectarea defectelor in materiale stratificate, acoperite, lipite, compozite (metalice sau nemetalice);

masurarea grosimilor straturilor de acoperire sau invelisurilor;

caracterizarea materialelor din punctul de vedere al comportamentului termic;

evaluarea structurii materialelor compozite polimerice.

Modul de lucru

Termografierea în infraroșu este o tehnică ce permite obținerea, cu ajutorul unei aparaturi adecvate, a imaginii termice, sau a unei scene termice, observate într-un domeniu spectral din infraroșu. Prin imagine termica se înțelege o repartiție structurată a datelor reprezentative ale radiației infraroșii provenind de la o scenă termică. Scena termică este definită ca parte a spațiului-obiect care se observă cu o aparatură de termografie în infraroșu.

În vederea realizării unui control nedistructiv folosind termografierea în infraroșu trebuie parcurse următoarele etape:

– se va identifica echipamentul necesar pentru termografierea în varianta activă;

– probele ce urmează a fi examinate se montează pe dispozitivul de poziționare și orientare, în poziție optimă, cu ajutorul elementelor de fixare;

– poziționarea blitzurilor în raport cu proba examinată se va face astfel încât fluxul termic radiant pe care acestea îl furnizează să asigure o încălzire uniformă a suprafeței probei;

– poziționarea camerei și focalizarea imaginii termice. Pentru a se obține o imagine clară trebuie aleasă distanța optimă între camera de termografiere și proba ce urmează a fi examinată.

Claritatea imaginii se modifică și prin reglarea obiectivului camerei;

– stabilirea parametrilor de examinare. Parametri de examinare, se aleg în funcție de natura materialului din care este confecționată proba și de grosimea acesteia, corelarea realizându-se prin metode teoretice și experimentale;

– examinarea propriu-zisă. In cadrul examinării termografice se vizualizează distribuția câmpului termic de la suprafața materialului, distribuție care este dependentă de starea acestei suprafețe și de omogenitatea materialului. De regulă, aprecierile privind omogenitatea se fac doar pentru straturile aflate în apropierea suprafeței exterioare. Indicație de defect se consideră a fi orice variație de temperatură între puncte sau zone din imaginea termică. Această variație poate fi pusă în evidență printr-o indicație numerică (citirea efectivă a temperaturii) sau printr-o indicație în culori (culori diferite alocate, pe imaginea termică, punctelor cu temperaturi diferite).

Standul folosit pentru examinarea prin termografiere în infraroșu este prezentat în figura 2.12, iar examinarea a fost realizată în conformitate cu procedurile laboratorului de Defectoscopie Nedistructivă al Departamentului T.M.S. din cadrul Facultății IMST.

Fig. 3.16 Stand experimental pentru examinarea prin termografiere în infraroșu

Pentru inspecția prin metoda activă , parametrii utilizați au fost aleși în funcție de

materialul depus :

– perioada de activare – 25 s

– numărul de perioade – 4

– frecvența camerei – 50 Hz.

Imaginile probelor examinate sunt transformate în imagini cu mai multe culori, pe ecranul unui monitor.

În figurile 2.13, respectiv 2.14 sunt ilustrate defectele confirmate prin termografiere în infraroșu pe semi-epruvetele 2 și 5. Din analiza imaginilor termice, reiese existența defectelor din stratul depus sau de la interfața material de bază-material depus a probelor supuse examinării.

Fig. 3.17 Imaginea termică a semi-epruvetei 2

Fig. 3.18 Imaginea termică a semi-epruvetei 5
În figura 2.15. este arătată imaginea termică a unei epruvete fără defecte.

Fig. 3.19 Imaginea termică a unei semi-epruvete fără defecte

Valoarea maximă a temperaturii măsurate se află în zona unde există defectul.

Cauzele acestor defecte pot fi explozii sau decaparea insuficientă sau manipularea neatentă și aderența impurităților pe suprafață. Existența unor defecte accidentale la interfață conduce la scăderea drastică a aderenței. Aceste defecte apar de obicei atunci când piesa nu este pulverizată imediat după sablare. Aderența straturilor este influențată de pregătirea suprafeței materialului de bază.

Utilizând metoda activă s-au obținut rezultate bune în ceea ce privește dimensiunea defectelor. Sunt necesare cercetări suplimentare pentru a demonstra capacitătile Software-lui IR-NDT.

Rezultate și discuții

În tabelul 2.5. sunt prezentate valorile obținute. Rezistența la aderență este media valorilor obținute cu relația (2.2) și anume 39.57 MPa

Tabelul 3.2 Rezultatele experimentale obținute

În figurile 2.16, 2.17, 2.18, 2.19, 2.20, 2.21, 2.22 sunt prezentate graficele pentru determinarea aderenței stratului de Cr2O3 depus prin metalizare prin pulverizare termică a celor 7 epruvete

Fig. 3.20 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 1

Fig. 3.21 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 2

Fig. 3.22 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 3

Fig. 3.23 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 4

Fig. 3.24 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 5

Fig. 3.25 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 6

Fig. 3.26 Determinarea aderenței stratului de Cr2O3 pentru epruveta 7

În graficul din figura 2.23. este prezentată interdependența rugozitate – aderență. Se poate observa că cele mai mari valori ale aderenței s-au obținut pentru o rugozitate a suprafeței pulverizate de 12.5μm.

Fig. 3.27 Dependența aderenței straturilor pulverizate de rugozitatea substratului

După executarea încercării la tracțiune a fost realizată o analiză macrografică in zona de rupere a fiecărei perechi de epruvete. Interpretarea rezultatelor depinde de scopul utilizării acestei metode de testare și de descrierea ruperii. Valoarea de aderență sau rezistență de coeziune măsurată reprezintă cea mai slabă parte a sistemului format din cele doua semi-epruvete, fie în stratul de acoperire, fie la o interfață. Tipul aderenței poate fi evaluat prin gradul de acoperire a particulelor rămase lipite după testarea rezistenței la lipire.

Figura 2.24 oferă detalii despre pontențialele zone de rupere. Rezistența la aderență a acoperirii este dată dacă ruperea se produce în întregime la interfața substrat – strat depus. Rezistența de coeziune a acoperirii este dată dacă ruperea este numai în interiorul stratului de acoperire. Pentru un sistem multicomponent; de exemplu, un strat de acroș cu un strat de acoperire, atunci ruperea la interfața dintre cele două acoperiri este descrisă ca fiind internă adezivă.

Fig. 3.28 Descrierea “failure locus”

În cazul epruvetei 1, prezentată în figura 2.25, ruperea s-a produs la o forță maximă de tracțiune de 43.76 kN. Există suprafețe izolate cu desprinderi în stratul depus, aderente la materialul epruvetei. Se poate vorbi aici de o rupere coezivă. Este posibil ca în stratul pulverizat să fi existat defecte, care să permită acestă desprindere. De asemenea, s-a observat o mică zonă periferică in care ruperea s-a produs în adeziv. Stratul de Cr2O3 s-a desprins în proporție de 70% la interfața strat-substrat, de unde concluzia unei ruperi adezive.

Fig. 3.29 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 1 metalizată cu Cr2O3

Pentru ruperea epruvetei 2, a fost necesar a fi aplicată o fortă maximă de tracțiune cu o valoare foarte scăzută de 24.42 kN. Se poate observa că în proporție de 50%, ruperea a fost coezivă, ea producându-se în interiorul stratului ceramic (Cr2O3). Cel mai probabil aceste zone au fost afectate de impurități în timpuil operației de metalizare prin pulverizare termică.

Fig. 3.30 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 2 metalizată cu Cr2O3

Ruperea epruvetei 3 s-a produs la o forță maximă de 44.78 kN. Deși este preconizat că adezivul rezistă la peste 60 MPa, în cazul acestei epruvete, ruperea s-a produs în adeziv în proporție de 90%. Se poate deduce că lipirea nu a fost efectuată corect, fie din cauza timpului îndelungat de așteptare până la apropierea celor 2 semi-epruvete, fie a grosimii necorespunzătoare a stratului. Se poate vorbi de o rupere adezivă (la interfața substrat – material de acoperire Cr2O3) doar pe 5% din suprafață, așa cum se poate vedea în figura 2.26.

Fig. 3.31 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 3 metalizată cu Cr2O3

În cazul epruvetei 4, prezentată în figura 2.27, ruperea s-a produs la o forță maximă de tracțiune de 46.82 kN. Pe suprafețe în proporție de 20-25%, există desprinderi în stratul depus, aderente la materialul epruvetei, de unde concluzia unei ruperi coezive. Stratul de Cr2O3 s-a desprins în proporție de 75% la interfața strat-substrat, ruperea fiind adezivă.

Fig. 3.32 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 4 metalizată cu Cr2O3

În cazul epruvetei 5, prezentată în figura 2.28, ruperea s-a produs la o forță maximă de tracțiune de 31.55 kN. Există suprafețe izolate cu desprinderi în stratul depus, aderente la materialul epruvetei. Se poate vorbi aici de o rupere coezivă pe 80% din suprafață. Desprinderea adezivă a stratului de Cr2O3 s-a produs în proporție de doar 20% (la interfața strat-substrat).

Fig. 3.33 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 5 metalizată cu Cr2O3

Pentru ruperea epruvetei 6, a fost necesar a fi aplicată o fortă maximă de tracțiune cu o valoare de 44.78 kN. Pe suprafețe în proporție de 10%, există desprinderi în stratul depus, aderente la materialul epruvetei, de unde concluzia unei ruperi coezive. Stratul de Cr2O3 s-a desprins în proporție de 75% la interfața strat-substrat, ruperea fiind adezivă. Pe restul suprafeței se pot observa ruperi din adeziv.

Fig. 3.34 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 6 metalizată cu Cr2O3

În cazul epruvetei 7, prezentată în figura 2.30, ruperea s-a produs la o forță maximă de tracțiune de 45.80 kN. Există suprafețe izolate cu desprinderi în stratul depus, aderente la materialul epruvetei. Se poate vorbi aici de o rupere coezivă. Este posibil ca în stratul pulverizat să fi existat defecte, care să permită acestă desprindere. De asemenea, s-a observat o mică zonă periferică in care ruperea s-a produs în adeziv. Stratul de Cr2O3 s-a desprins în proporție de 70% la interfața strat-substrat, de unde concluzia unei ruperi adezive.

Fig. 3.35 Aspectul macroscopic al suprafetelor de rupere ale epruvetei 7 metalizată cu Cr2O3

Concluzii

Analizând valorile aderenței obținute după testarea la tracțiune, aderența straturilor este cu siguranță influențată de două tipuri de factori:

calitatea suprafeței materialului de bază

Rogozitatea rezultata in urma aschierii se impune a fi 6,3 <Ra<12,5 ; cele mai bune rezultate s-au obtinut pentru valorile din partea superioara a intervalului ;

Valorile de aderență sunt de 44-46 MPa pentru probele cu suprafață normală Ra = 12,5, cu sablare la distanță de 100 mm și presiune normală 0,5 MPa (5 bar). Aceasta arată că pregătirea suprafeței materialului de bază cu o rugozitate ridicată conduce la o rezistență mare la aderență a stratului pulverizat.

Valoarea aderenței obținută pentru epruveta 1 se situează ușor sub intervalul celor mai ridicate valori obținute.

Manevrarea neglijenta a epruvetei si contaminarea suprafetei materialului de baza poate fi, de asemenea, un factor de aparitie a lipsei de aderenta.

Pe de altă parte, existența defectelor accidentale la interfața epruvetelor nr. 2 și nr. 5 a dus la scăderea drastică a aderenței stratului de acoperire. Deoarece aceste piese nu au fost pulverizate imediat după sablare (Tmax = 20 minute) poate fi un motiv de apariție a defectelor.

intervalul de timp dintre sablare și procesul de metalizare prin pulverizare termică.

Sablarea s-a efectuat cu electrocorindon avand granulatia de 4 – 5 mm, la o presiune de 0,5 MPa, de la o distanta de 100 mm ; in cazul epruvetei 3, sablarea a fost mai indelungata si a aparut un punct lucios (s-au rupt microasperitatile in loc sa se deformeze si au aparut zone specifice ruperii intracristaline, lucioase). Stratul depus nu a aderat la materialul de baza si datorita fragilitatii, materialul ceramic s-a fisurat;

Decaparea imperfecta a suprafetei sablate poate fi de asemenea un factor care conduce la lipsa de aderenta si fisurarea stratului depus ;

Pentru măsurarea aderenței, la nivel general, utilizarea standardului ASTM-C633 s-a dovedit a fi eficientă, dar trebuie făcută o analiză mai profundă a rezultatelor individuale pentru a cunoaște caracteristicile specifice ale aderenței straturilor.

Din rezultatele obținute se poate afirma că dacă localizarea ruperii este în stratul de acroș sau strat de acoperire, corespunde valorilor cele mai scăzute de aderență

Pentru cele mai ridicate valori de aderență, ruperea se produce, în principal, în interfața de acoperire / substrat așa cum este cazul epruvetelor 1, 3, 4, 6 și 7. S-a observat că în cazul acestor epruvete, ruperea este adezivă pe 60-70% din suprafața totală.

DETERMINAREA ADERENȚEI STRATURILOR PULVERIZATE TERMIC PRIN TESTAREA DISTRUCTIVĂ LA FORFECARE

Introducere

În zilele noastre, recondiționarea pieselor prin procedeul de pulverizare a metalelor este o metodă foarte frecvent utilizată. Stratul pulverizat reprezintă o structură compusă din particule puternic distorsionate și legate între ele prin suprafețele de contact. Scopul utilizării acestei metode este de a obține o îmbunătățire a proprietăților straturilor depuse datorită materialelor speciale care pot fi pulverizate.

Straturile depuse prin pulverizare termica reprezinta o cale moderna de a rezolva probleme cu adevarat importante, ca de exemplu reparatia pieselor uzate ce functioneaza in conditii severe, asigurarea protectiei anticorozive a pieselor utilizate in ansamblele mașinilor, utiljelor sau instalațiilor.

Dar, pentru ca procesul de metalizare să devină unanim acceptat trebuie ca să dea certitudinea obținerii unor piese de înaltă calitate, principala problemă a straturilor depuse prin pulverizare termică este aceea a aderenței la materialul de bază.

De cele mai multe ori, o data obtinute, aceste straturi necesita prelucrari aditionale – prin strunjire, rectificare, etc. si este un interes cum, si, daca, vreunul din parametrii prelucrarii influenteaza caracteristica cea mai importanta – aderenta la stratul de baza.

In aceasta parte a lucrarii se propune determinarea valorilor aderentei, dar si studierea corelației dintre unii parametri ai procesului de metalizare prin pulverizare termica și nivelul aderenței la materialul de bază

Performanța mecanică a unui strat de pulverizare termică depinde în principal de aderența sa la substrat și de coeziunea dintre particulele depuse.

Datorită naturii diferite a materialelor ceramice sau metalice, a vitezei particulelor și a căldurii transferate de la particule la substrat, se obține un grad diferit de micro-sudură.

Studii și cercetări experimentale

Această lucrare prezintă studii teoretice și experimentale privind încercarea la forfecare, efectuată în vederea evaluării aderenței straturilor depuse prin pulverizare termică pe un material de bază OLC 45. Încercarea la forfecare trebuie efectuată utilizând cel puțin două eșantioane, cu excepția cazurilor în care alte cerințe sunt specificate în documentația tehnică a produsului. În prezenta lucrare, studiile experimentale s-au efectuat pe 3 epruvete.

Testul constă în aplicarea unei sarcini de comprimare de-a lungul axei probei până când stratul depus își pierde aderența datorită eforturilor de forfecare (STAS 11684 / 4-83). S-au prelucrat trei canale împreună cu un capăt al specimenului pentru a obține trei zone inelare care vor conține materialul depus prin pulverizare, după cum se prezintă în Figura 4.1

Fig. 3.36 Epruvetă utilizată pentru metalizare

Există numeroase investigații care vizează evitarea utilizării de proceduri de reciclare cu numeroase operațiuni și consumuri mari în ceea ce privește timpul, energia și materialele.

Dezvoltarea procedeelor tehnologice de modernizare avansată permite înlocuirea metodelor tradiționale caracterizate prin operațiuni numeroase și costisitoare cu un ciclu de recondiționare mult mai scurt: "piesă uzată – piesă recondiționată – piesă reutilizată"

Alternativa "eficienței maxime" de reintegrare în circuitul economic și de reutilizare a tijelor pistoanelor hidraulice constă în păstrarea acestor componente ca piese de schimb, pe care se efectuează o operațiune de retehnologizare pentru a le oferi o fiabilitate comparabilă cu cea a noilor produse. Desigur, modernizarea ar trebui să fie cât mai ieftină posibil. În consecință, procedurile de întreținere și recondiționare a tijelor trebuie planificate în mod eficient, în conformitate cu principiile organizațiilor industriale.

Micro-aderența este definită ca fiind egală cu forța necesară separării unui volum de material de pe un substrat, raportată la aria suprafeței. În timpul procesului de metalizare termică, particulele care formează jetul de pulverizare aderă la o suprafață. Se poate deci considera că integritatea stratului metalizat și a comportamentului acestuia în exploatare este rezultatul cumulat al unui număr extrem de mare de micro-aderențe.

Micro-aderențele care există la nivelul unui strat metalizat pot fi împărțite în următoarele categorii:

• Particulă – material de bază

• Particulă – particulă (specifică particulelor din interiorul stratului depus)

• Incluziune – substrat (specifică stratului pulverizat – material de bază, în regiunile în care există incluziuni)

• Particulă – incluziune.

Totalitatea micro-aderențelor asociate la interfața strat-substrat determină macro- aderarența stratului depus pe materialul de bază. Micro-aderențele dintre particule și particule-incluziuni determină coeziunea stratului metalizat. În general, mecanismele de interacțiune și mărimea relativă a diferitelor interfețe determină macro-aderența stratului metalizat.

Metalizarea prin pulverizare termică este una dintre procedeele tehnologice aplicate materialelor metalice și nemetalice care permit regenerarea suprafețelor exterioare ale pieselor în conformitate cu cerințele date referitoare la rezistența lor mecanică și rezistența la uzare.

Aderența straturilor ceramice sau metalice depuse prin pulverizare pe un material metalic este în principal condiționată de factori mecanici și, într-o măsură mai mică, de factori fizici și chimici. În general, aderarea depinde de următoarele aspecte: configurația piesei metalizate, modul în care a fost prelucrată suprafața de metalizat (rugozitatea suprafeței), natura materialului depus (modulul de elasticitate și coeficientul de dilatare termică), dimensiunile totale ale piesei metalizate, dimensiunile particulelor rezultate din pulverizarea materialului topit , puritatea aerului comprimat, etc.

Straturile depuse prin pulverizare termică trebuie să asigure o bună rezistență la uzare, o bună rezistență la temperaturi ridicate și o rezistență crescută la coroziune.

Testul de forfecare descris în STAS 11684 / 4-83 permite evaluarea rezistenței la aderență a straturilor de materiale metalice sau ceramice depuse pe un substrat metalic.

O formulă empirică care poate fi utilizată pentru a estima aderența stratului depus pe piesele cilindrice este cea dată de relația 4.1.

σ = , (4.1)

in care: E – modulul de elasticitate al stratului depus; α – coeficientul de dilatare termica liniara; ti – temperatura particulelor inainte de impact; tf – temperatura particulelor dupa solidifciare; h este grosimea stratului solidificat; k – un coeficient de aderenta dependent de tehnica de pulverizare si de pregatirea suprafetei.

Pentru creșterea aderenței, se poate pulveriza un strat intermediar având o aderență bună, urmat de un al doilea strat având o aderență chiar mai bună datorită rugozității stratului depus anterior.

Testul constă în aplicarea unei sarcini de comprimare de-a lungul axei epruvetei până când stratul depus se desprinde de suportul metalic din cauza eforturilor de forfecare care acționează asupra interfeței. Configurația specimenului utilizat în acest test corespunde specificațiilor din norma 337 STAS 11684 / 4-83. Grosimea stratului depus este 2.0 ÷ 2.5 mm, așa cum recomandă standardul.

Studiile s-au facut efectuat comparativ pe epruvete special pregatite, pulverizate cu Amdry 5843 – Carbura W (WC 10Co 4Cr), respectiv Diamalloy 2001 – aliaj pe bază de nichel și crom (Ni/Co Cr B Si C).

AMDRY 5843 este o pulbere sinterizată pe bază de crom, cobalt și tungsten. Pulberea este folosită în primul rând pentru a acoperiri pulverizate cu procedeul HVOF, destinate rezistenței la uzare în medii corozive. Mărimea granulației este între 0.005 si 0.1 mm, iar forma pulberii este redată în Figura 4.2, așa cum o prezintă producătorul.

Fig. 3.37 Morfologia pulberii AMDRY 5843

Acoperirile cu AMDRY 5843 prezintă o bună rezistență la abraziune și coroziune umedă (electrochimică) și rezistență moderată la oxidare. Duritatea și ductilitatea sunt relativ bune. Acoperirea poate fi utilizată la temperaturi de până la aproximativ 500°C.

Structura chimica a pulberii AMDRY 5843 este prezentată in Tabelul 3.3

Tabelul 3.3 Compoziția chimică a pulberii AMDRY 5843

Diamalloy 2001 este o pulbere din aliaj nichel-crom care conține adaosuri de carbon, bor și siliciu. Aceste materiale sunt pulberi complet aliate cu o morfologie sferoidală pentru asigura alimentarea cu ușurință a materialului în timpul aplicării învelișului. Procesul de atomizare a gazului asigură o omogenizare a consistenței aliajului. Mărimea granulației este între 0.005 si 0.1 mm, iar forma pulberii este redată în Figura 4.3, așa cum o prezintă producătorul.

Fig. 3.38 Morfologia pulberii Diamalloy 2001

Acoperirile sunt dense, dure și, în esență, lipsite de oxizi care sunt caracteristici pentru majoritatea acoperirilor cu pulverizare termică. Aditivii servesc atât ca agenți de durificare interstițială pentru a spori performanțele în ceea ce privește uzarea, cât și pentru a reduce la minimum nivelurile de oxid din acoperire. Diamalloy 2001 este recomandat pentru rezistența la uzare prin suprafețe dure, fretting și eroziunea particulelor la temperaturi de până la 815°C.

Structura chimica a pulberii Diamalloy 2001 este dată in Tabelul 4.2

Tabelul 3.4 Compoziția chimică a pulberii Diamalloy 2001

Metoda de pulverizare HVOF a cunoscut o dezvoltare majoră începând cu anii 1980, când a fost produs primul sistem comercial de către firma Deloro Stellite.

În principiu, gazele combustibile sunt alimentate într-o cameră de ardere, comprimate și apoi ejectate printr-o duză cu lungimi între 8-30 cm (figura 2.4). Volumele mari de gaz combinate cu temperaturi ridicate de ardere duc la obținerea de viteze ale gazului cuprinse între 1525-1825 m/s la ieșirea din duză.

Printre gazele utilizate pentru metoda HVOF de pulverizare termică se numără: hidrogenul, propilena, propanul, acetilena și kerosenul. Este important de precizat că există două categorii distincte de dispozitive de pulverizare, împărțite în funcție de presiunea care se crează în camera de ardere .

O primă categorie prezintă presiuni ce depășesc 240 kPa și energie termică de 530 MJ. O a doua categorie operează la presiuni între 620 și 830 kPa cu energii termice de aproximativ 1GJ alimentat de regulă cu kerosen. Pistoletele alimentate cu kerosen utilizează fie aerul, fie oxigenul pentru a întreține arderea. Pistoletele HVOF au în general camere de ardere răcite cu aer sau cu apă, în care amestecul combustibil-oxigen este ars sub presiune, flacăra rezultată fiind accelerată și ejectată prin duza răcită . Pulberea care este transportată de către gazul purtător este alimentată prin duză și este antrenată în flacăra de înaltă presiune. Componentele de bază ale unui pistolet HVOF sunt: sistemul de răcire cu apă, sistemul de alimentare cu pulbere, injectorul de pulbere, duza în interiorul cărora se produce expansiunea gazelor de ardere

Vitezele mari ale gazelor generate în timpul pulverizării HVOF duc la creșterea vitezelor particulelor, îmbunătățindu-se astfel densitatea și aderența stratului. Temperaturile scăzute, în comparație cu pulverizarea cu plasmă la care ajung particulele de pulbere reduc gradul de oxidare respectiv de topire a acestora. Vitezele ridicate de impact ale particulelor duc la deformarea acestora și respectiv la ancorarea lor mecanică.

Parametrii procesului de metalizare prin pulverizare cu flacără oxi-acetilenică de mare viteză (HVOF) utilizați se regăsesc în Tabelul 4.3

Tabelul 3.5 Parametrii de proces – metalizare prin pulverizare termică HVOF

Au fost realizate cate 3 epruvete metalizate cu AMDRY 5843 (Figura 4.4), respectiv Diamalloy 2001 (Figura 4.5)

Fig. 3.39 Epruvetă metalizată prin pulverizare termică HVOF cu AMDRY 5843

Fig. 3.40 Epruvetă metalizată prin pulverizare termică HVOF cu Diamalloy 2001

Figura 4.6 prezinta o epruvetă prelucrată tehnologic înainte de experiment pentru delimitarea inelelor și a facilita trecerea prin suportul circular.

Fig. 3.41 Epruvete pregătite prin strunjire înainte de încercarea la forfecare

Au mai fost executate 2 epruvete: una metalizată cu AMDRY 5843, iar cealaltă cu Diamalloy 2001. Niciuna dintre acestea nu a fost sablată înainte de operația de metalizare prin pulverizare termică. Fig. 3.42 prezintă o probă deteriorată în timpul operației de strunjire, stratul pulverizat desprinzându-se de materialul de bază.

Fig. 3.42 Epruvetă deteriorată in timpul operației de strunjire

În Figura 4.8. Este prezentat suportul cilindric executat din OLC45. Piesa a fost supusă unui tratament termic în vederea obținerii unei durități a suprafeței interioare mai mari de 65 HRC

Fig. 3.43 Bucșă suport utilizată pentru încercarea la forfecare

Epruveta împreună cu bucșa trebuie amplasate pe masa mașinii universale de testare la compresiune așa cum este prezentat în Figura 4.10. Operatorul a verificat cu atenție perpendicularitatea forței de compresie pe suprafața superioară a bucșei. Epruveta este încărcată cu o forță axială crescătoare uniformă până când stratul depus pe inelul inferior se desprinde de materialul de bază. S-au înregistrat valorile forței axiale corespunzătoare momentului în care a avut loc desprinderea.

Viteza de încărcare a epruvetei trebuie menținută constantă la aproximativ 8500 N/s. Epruveta trebuie extrasă din dispozitivul de testare și stratul desprins de pe primul inel trebuie evacuat din suportul cilindric. După efectuarea acestor manevre, testul de comprimare poate continua într-un mod similar pentru straturile depuse pe celelalte inele.

Testul a fost efectuat pe mașină universală de încercare la compresiune acționată hidraulic, model LFV 300kN, producător WALTER+BAI AG.

Această mașină servohidraulica utilizată la realizarea experimentelor prezentei teze, corespunde clasei de precizie 1 – conform STAS 1510-87 si este prezentata în Figura 4.10

Fig. 3.45 Mașina pentru încercarea la tracțiune a epruvetelor (Laborator Facultatea SIM, UPB)

Caracteristici tehnice ale mașinii:

– celula de forta +/- 300kN;

– bacuri hidraulice de prindere;

– dispozitive de adaptare pentru tractiune, compresiune, incovoiere, forfecare;

– temperatura de lucru 25 – 1000°C (cuptor cu trei zone de incalzire prin termocuple integrate, pentru accesorii de diametru 303mm si lungime 358mm) ,

– extensometru (lungime 10,25,50mm) pentru masurarea deformatiilor, deplasarilor;

-distanta intre piston si traversa: intre 1300 si 1600 mm; cursa pistonului: +/- 50 mm; – software utilizat: BlueHill 2 si WaveMatrix;

– materiale testate: otel, neferoase, materiale plastice, materiale compozite, lemn, hartie, textile.

Rezultate și discuții

Rezistenta la aderenta , τad prin incercarea la forfecare se calculeaza cu relatia :

[N/mm2], (4.2.)

F- forța maximă de compresiune aplicată epruvetei, exprimată in N

S – aria suprafeței de forfecare a inelului solicitat, exprimată in mm2

Aria suprafeței de forfecare S s-a calculat cu relația:

[mm2],

– r – raza inelului

– h – înălțimea inelului

Înlocuind în relație și celelalte elemente, se obține S = 1695.6 mm2.

Fig. 3.46 Desprinderea inelului 1 de pe proba

Fig. 3.47 Desprinderea inelului 2 de pe proba

Fig. 3.48 Desprinderea inelului 3 de pe proba

Fig. 3.49 Graficul generat în urma desprinderii inelului 1

Fig. 3.50 Graficul generat în urma desprinderii inelului 2

Fig. 3.51 Graficul generat în urma desprinderii inelului 3

Fig. 3.52 Suprapunerea graficelor generate în urma desprinderii inelelor

În Tabelul 3.4. sunt prezentate valorile obținute pentru cele 3 epruvete pulverizate cu Ni/CoCrBSiC. Rezistența la aderență este media valorilor obținute cu relația (4.2) și anume 66.93 MPa

Tabelul 3.6 Rezultatele experimentale obținute la încercarea la forfecare a straturilor Ni/CoCrBSiC

În Tabelul 3.5 sunt prezentate valorile obținute pentru cele 3 epruvete pulverizate cu WC10Co4Cr. Rezistența la aderență este media valorilor obținute cu relația (4.2) și anume 70.82 MPa

Tabelul 3.7 Rezultatele experimentale obținute la încercarea la forfecare a straturilor WC10Co4Cr

Concluzii

Testul constă în aplicarea unei sarcini de compresiune de-a lungul axei probei până când stratul depus își pierde aderența datorită tensiunilor de forfecare care acționează asupra interfeței.

Tensiunea de forfecare τad caracterizează separarea la interfața strat depus-material de bază

Analiza datelor experimentale obținute și prezentate în Tabelul 0.4, respectiv Tabelul 0.5, permite observarea faptului că s-au obținut valori ale aderenței ușor superioare pentru straturile pulverizate cu WC10Co4Cr, față de straturile de Ni/CoCrBSiC

Testul de forfecare permite examinarea suprafeței specimenului și identificarea mecanismului de separare corespunzător fiecărui caz particular.

Pot fi identificate trei mecanisme de separare atunci când se examinează modul în care stratul depus a fost îndepărtat de pe materialul de bază:

• Separarea adezivă

• Separarea coezivă

• Separarea mixtă

Analizând valorile aderenței obținute după testarea la forfecare, aderența straturilor este cu siguranță influențată de calitatea suprafeței materialului de bază.

O rugozitate mică, 3.2 <Ra <6.3, a influențat negativ valoarea aderenței pentru ambele tipuri de acoperiri. S-au obținut valori ale aderenței sub media de 66 MPa în cazul acoperirii cu Ni/CoCrBSiC, iar in cazul straturilor de WC10Co4Cr valoarea a depășit 70 MPa.

În concluzie, trebuie oferită o mare importanță calității suprafețelor ce urmează a fi metalizate prin pulverizare termică

Se poate concluziona din investigațiile experimentale efectuate în acest studiu că metalizarea prin pulverizare termică HVOF este un procedeu de recondiționare eficient din punct de vedere tehnologic

În cazul specific al tijelor cilindrilor hidraulici, metalizarea permite prelungirea duratei de viață a pieselor prin creșterea rezistenței la uzare. Se poate vorbi și despre condiționarea suprafețelor, prin integrarea operației de metalizare prin pulverizare termică în fișa film (tehnologică) a acestor repere.

ANALIZA EXPERIMENTALĂ PRIVIND CARACTERIZAREA STRATURILOR OBȚINUTE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

Analiza prin microscopie optică a straturilor depuse

Examinarea metalografica reprezintă o analiză a microstructurii materialelor in vederea identificarii atat a defectelor cat si a gradului de influenta ce o poate avea microstructura asupra caracteristicilor fizice si mecanice ale piesei. Ca studiu s-au propus două alternative pentru creșterea rezistenței la uzare (obținerea unor durități mari ale straurilor) prin înlocuirea cromării dure, și anume:

Depunerea prin pulverizare termică HVOF a unui strat din carbură de tungsten (WC/CoCr 86/10-4) ;

Depunerea prin pulverizare termică cu arc electric cu două sârme-electrod a unui strat din aliaj pe bază de Fe (G3Si1), cu strat intermediar de Ni.

Execuția epruvetelor

Pentru realizarea cercetărilor asupra straturilor depuse prin pulverizare termică, s-au utilizat două epruvete, respectiv o epruvetă pentru stratul depus electrochimic.

4.1.1.1. Obținerea epruvetei 1

Ca material de bază, s-a utilizat un oțel slab aliat cu Cr.

Pentru cromarea dură a epruvetei 1, s-au parcurs următoarele etape:

prelucrarea mecanică a piesei și pregătirea pentru cromare;

cromarea propriu-zisă;

pregătirea după cromare și prelucrarea finală.

Prelucrarea mecanică și pregătirea pentru eromare presupune efectuarea operațiilor:

– Prelucrarea mecanică (strunjire, frezare, rectificare etc.) la dimensiunea de grosimea stratului de crom care urmează a fi depus pe porțiunea respectivă. (nu mai gros de 0,3 mm), pentru a asigura piesei o formă geometrică corectă după uzare.

— Lustruirea cu pânză abrazivă fină și apoi cu pastă de rodat (oxid crom ctc.) prin care se elimină rizurile rămase in urma prelucrării mecanice.

— Montarea pieselor pe suporturi speciale pentru operațiile următoare, care se execută în vederea menținerii unor distanțe uniforme intre ele și anozi și pentru suspendarea acestora în baie.

– Degresarea chimică și electrochimică, prima executându-se în soluție apoasă de 70 g/1 NaOH și 30 g/1 Na., CO, la o temperatură de 353 K. Degresarea electrochimică se realizează folosindu-se ca electrolit o soluție apoasă de 100 g/1 NaOH și 2…3 g/1 sticlă solubilă (Na, SiO3). Se așează la catod, iar anodul este constituit din plăci de otel. Se lucrează cu o intensitate de curent de 5 . . .7 A/dm2 la o temperatură a băii de circa 353 K. Hidrogenul ce se degajă de pe piesă în timpul electrolizei contribuie la desprinderea particulelor de grăsimi de pe piesă. După degresare, in vederea indepărtării electrolitului, piesele se spală cu apă fierbinte.

— Decaparea anodică se realizează chiar in baia de cromare, prin suspendarea pieselor la anod in locul plăcilor de plumb, folosindu-se un electrolit compus din 150 g/1 CrO, și 1,5 g/1 HE5U4.

Cromarea propriu-zisă s-a realizat la următorii parametri :

– electrolit: CrO3 pulbere – 200 g/l

– aditivi suplimentari: 35 ml crom catalitic la 1kg de CrO3

– acid sulfuric ultrapur 4 g/l

– crom de puritate catalitică HN25 – 20 ml / litru soluție

– regim de cromare:

– densitate de curent: Dc = 40 A/dm2

– temperatură : θ = 331 – 335 K

– regim de atacare anodică :

– Da = 25 A/dm2

– θ = 331 – 335 K

– t = 6 – 10 min.

Obținerea epruvetei 2

S-a ales ca material de bază un oțel nealiat S235.

Compoziția chimică a materialului sârmei G3Si1 se prezintă în tabelul…

Tabel… Compoziția chimică G3Si1

Parametrii utilizați la metalizarea prin pulverizare termică a epruvetei 2 cu ajutorul instalației de metalizare cu arc electric, sunt înscriși în tabelul….:

Tabel… Parametrii de proces – metalizare prin pulverizare termică cu arc electric

Obținerea epruvetei 3

În cazul epruvetei 3 s-a utilizat ca material de bază un oțel nealiat S275.

Compoziția chimică a pulberii din carburiă de tungsten WC/CoCr 86/10-4 se prezintă în tabelul..

Tabel… Compoziția chimică WC/CoCr 86/10-4

Acoperirea s-a efectuat utilizandu-se procesul de metalizare prin pulverizare HVOF, la parametrii notați în Tabelul 5.1

Tabelul 4.1 Parametri de proces – metalizare HVOF

In Figura 5.3 este prezentată epruveta acoperită cu WC/CoCr 86/10-4

Fig. 4.1 Epruvetă metalizată prin pulverizare termică HVOF cu WC/CoCr 86/10-4

Grosimile straturilor depuse au fost determinate cu ajutorul unui aparat de măsurat grosimi – tip TOP-CHECK FN-B – vezi Figura 5.5, Figura 0.6

Fig. 4.2 Aparat pentru măsurarea grosimilor straturilor depuse – tip TOP CHECK FN-B

Fig. 4.3 Măsurarea grosimilor straturilor depuse pe cele 3 epruvete

Rezultatele măsurătorilor au fost centralizate în Tabelul 4.2:

Tabelul 4.2 Grosimilie straturilor depuse pe cele 2 epruvete

Procedura de pregătire a probelor și aparatura utilizată

In vederea realizarii analizelor metalografice ale straturilor depuse pe cele trei epruvete, trebuie obtinute probe metalografice cu o suprafata de analizat cât mai calitativă. La prelevarea probelor metalografice s-a avut în vedere alegerea corectă a locului de prelevare și a metodei de tăiere. Locul de prelevare s-a ales astfel încât proba să fie reprezentativă pentru materialul cercetat, să corespundă scopului cercetării și să conțină structura caracteristică precum și variațiile posibile de structură. Probele pentru analiza metalografica au fost prelevate din cele trei tipuri de epruvete care au avut depuneri obținute prin metalizare prin pulverizare termică sau cromare dură. De aceea, s-au efectuat câteva etape esentiale conform indicațiilor STAS 4203-74, dupa cum urmează:

Debitarea epruvetelor și prelevarea unei secțiuni reprezentative în vederea obținerii probelor, s-a realizat cu disc abraziv, utilizând mașina IsoMet 4000 (fig. 1a), pe direcție transversală față de stratul metalizat. Tăierea s-a executat la o turație de 2650 rot/ min și și o viteză de avans de 1.2 mm/min.

Figura 5.7 Masină de debitat automată Buehler IsoMet 4000 (Laborator LAMET, UPB)

Înglobarea în rășină fenolică a corpurilor de probă prelevate din cele 3 epruvete s-a efecturat pentru a putea fi mai ușor prelucrate și analizate în continuare. Înglobarea s-a realizat la cald cu ajutorul unei prese de tip IPA 40 – vezi Figura 5.8

Figura 5.8 Presă pentru înglobare tip IPA 40 (Laborator LAMET, UPB)

Au fost utilizați următorii parametrii de lucru pentru înglobare:

– presiune aer comprimat = 4 atm.;

– timp de presare = 10 minute ;

– temperatură maximă = 175 oC.

Cele trei probe înglobate în rășină se prezintă în Figura 0.9(a,b)

Fig. 4.4 Probele metalografice înglobate în rășină fenolică

P1 – Proba metalografică obținută din epruveta 1(strat crom dur); P2 – Proba metalografică obținută din epruveta 2 (strat G3Si1); P3 – Proba metalografică obținută din epruveta 3 (strat carbură tungsten)

Șlefuirea de degroșare și lustruirea probelor pentru îndepărtarea stratului care a fost afectat termic și mecanic prin debitare, s-a realizat prin polișare metalografică pe mașina automată Buehler (fig. 1b), utilizând hârtie abrazivă în următoarea succesiune de granulații 360, 600, 1000).

Figura 5.11 Mașină de lustruit automată, tip Vector și Alpha Beta polisher Buehler – Laborator LAMET, UPB

Lustruirea manuală s-a efectuat pe pâslă, cu suspensie de pulbere abrazivă fină de Al2O3 (Topol 1, Topol 2, Topol 3), având granulații între 1,0 – 0,25 μm. În figura … se prezintă recipientele ce conțin suspensie de alumină.

În continuare, suprafețele lustruite au fost degresate în etanol, nu au fost atacate chimic cu reactiv metalografic, pentru a nu fi afectata compozitia chimica a probelor supuse analizei metalografice.

Figura 5.12 Suspensie de polișare de Al2O3 – TOPOL

Analiza metalografică s-a realizat prin microscopie optică conform SR EN 1321:2000, STAS 7626-79, CR 12361:1996 + AC: 1997, cu microscopul Olympus GX51 echipat cu software specializat pentru prelucrarea imaginilor – AnalySis (fig. 2) [1-3].

Condiții de măsurare: Temperatura +24oC (temperatura de referinta +23±5oC); Umiditate 45%.

Fig. 2. Microscop optic cu vizare inversată tip Olympus (Laborator LAMET)

Rezultate obținute prin microscopie optică

Examinarea prin microscopie optică a vizat analiza microstructurală a zonelor adiacente straturilor depuse prin metalizare și măsurarea grosimilor straturilor. Probele supuse analizei au fost codificate (P1, P2, P3), iar date privind procedeele de obțienere a straturilor sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1. Date privind probele supuse analizei metalografice

Fig. 3. Secțiune transversală prin stratul depus prin cromare dură al probei P1.

Stratul depus este uniform, compact și fără imperfecțiuni majore. Se remarcă apariția unei zone afectate termic la interfața cu materialul suport.

Fig. 4. Secțiune transversală prin stratul depus prin metalizare al probei P2.

Stratul metalizat este uniform, compact și cu mici imperfecțiuni izolate (pori izolați, incluziuni și cruste de oxizi). Stratul depus are o grosime cvasi-uniformă iar interfața cu materialul suport este continuă, fără desprinderi sau alte imperfecțiuni inacceptabile.

Fig. 4. Secțiune transversală prin stratul depus prin metalizare al probei P3.

Stratul metalizat este uniform, compact și cu mici imperfecțiuni (pori izolați, incluziuni și cruste de oxizi). Stratul depus are o grosime cvasi-uniformă iar interfața cu materialul suport este continuă și ondulată, fără desprinderi sau alte imperfecțiuni inacceptabile. Aspectul interfeței se datorează efectului de prelucrare dinamică, cu unde de deformare mecanică care s-au produs prin efectele de impact la pulverizarea cu mare viteză.

Analiza prin microscopie electronică

Analiza prin microscopie electronică SEM s-a efectuat conform: SR EN 1321:2001, STAS 7626-79, Procedura de măsurare: UPB-PO-05.03.02. S-a utilizat un microscop electronic Quanta Inspect S, FEI Olanda si este prezentat în figura….

Fig. 4.5

Probele au fost curățite cu propanol și apoi au fost uscate cu aer cald. În figura …este prezentată o probă așezată pe masa microscopului.

În figura …. este prezentată

Fig. 5. Secțiune transversală prin stratul depus prin cromare dură în cazul probei P1.

Stratul depus este uniform, compact și cu foarte mici imperfecțiuni izolate. Se observă apariția unei zone afectate termic la interfața cu materialul suport cu extindere de circa 20 µm.

Fig. 6. Secțiune transversală prin stratul depus prin metalizare în cazul probei P2.

Fig. 7. Interfața între stratul depus prin metalizare, stratul de aderență și substratul din oțel S235 în cazul probei P2

Sunt vizibile imperfecțiuni de tip pori și incluziuni atât în stratul de aderență cât și în straturile dure depuse prin metalizare.

Fig. 8. Secțiune transversală prin stratul depus prin metalizare în cazul probei P3.

Interfața cu materialul suport este ondulată. Ca urmare a energiei mari de impact, mici fragmente din suprafața materialului suport au fost exfoliate și înglobate în primele straturi metalizate. Unele incluziuni sunt prezente și în straturile superioare, cu forme diverse (alungite sau rotunjite)

Fig. 9. Detaliu pe interfața între stratul depus prin metalizare cu procedeul HVOF și substratul din oțel în cazul probei P3.

Se observă o zonă de exfoliere la nivelul suprafeței materialului suport și incluziuni cu diferite forme ( de culoare închisă) înglobate în materialul depus prin metalizare.

Fig. 10. Detaliu pe zona de încărcare prin metalizare în cazul probei P3 în apropierea zonei de interfață.

Se observă granulele poliedrice din carbura de wolfram de culoare deschisă (cu granulații cuprinse între 200nm și 1,84 µm) și zonele de liant dintre acestea, din aliaj CoCr. Este vizibilă o incluziune masivă provenită din exfolierea suprafeței metalului suport.

Analize de compoziție chimică

Analiza compoziției chimice locale s-a efectuat cu metoda EDAX (Energy Dispersive Spectroscopy – spectroscopie a dispersie de energiei), cu ajutorul unui Spectrometru de raze X dispersiv in energie de tip Z2e cu care este echipat microscopul electronic de baleiaj Inspect S (FEI Olanda) din dotarea laboratorului LAMET din UPB. Microzonele de măsurare și valorile determinate ale compozițiilor chimice sunt prezentate în figurile 11- …..

Fig. 11. Amplasarea punctelor de măsurare a compoziției chimice în cazul probei P1.

Spot 1 – Spot 5 în materialul suport;

Spot 6 – Spot 8 în zona de influență termică;

Spot 9 – Spot 12 în stratul cromat.

Fig. 12. Spectrele de raze X dispersive în energie (EDAX) cumulate pentru toate punctele de măsurare asociate microzonei din fig. 11.

a)

b)

Fig. 13. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 1/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. 14. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 2/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 3/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 4/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 5/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 6/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 7/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 8/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 9/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 10/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 11/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b).

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 12/P1 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

Fig. 11. Amplasarea punctelor de măsurare a compoziției chimice în cazul probei P2.

Spot 1 – Spot 4 în stratul de G3Si1;

Spot 5 – Spot 7 în stratul intermediar de Ni;

Spot 8 – Spot 10 în materialul suport.

Fig. 12. Spectrele de raze X dispersive în energie (EDAX) cumulate pentru toate punctele de măsurare asociate microzonei din fig. 11.

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 1/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 2/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 3/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 4/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 5/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 6/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 7/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 8/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 9/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 10/P2 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

Fig. 11. Amplasarea punctelor de măsurare a compoziției chimice în cazul probei P3.

Spot 1, 3, 4 – în stratul de WC;

Spot 2, 5 – în zona de influență termică

Spot 6, 7 – în materialul suport.

Fig. 12. Spectrele de raze X dispersive în energie (EDAX) cumulate pentru toate punctele de măsurare asociate microzonei din fig. 11.

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 1/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 2/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 3/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 4/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 5/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 6/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

a)

b)

Fig. .. Spectru de raze X dispersiv in energie (EDAX) asociat microzonei Spot 7/P3 (a) și valorile compoziției chimice locale determinate prin analiza EDAX (b)

Prin hărțile de contrast compozițional, este prezentată distribuția elementelor din compoziția chimică. Această distribuție a elementelor Cr si W a scos în evidență particule de oxizi, după cum se prezintă în Figura 0.23

Figura 5.23 Particule de oxizi în strat, evidentiate de distributia elementelor Cr și W

In Figura 0.24 se prezintă distribuția în suprafață a intensitatii relative a radiatiei X caracteristice WLα, CrKα, CoKα și FeKα, pe o microzonă situată la interfața strat-substrat. Se observa distributia W în strat și a Fe în suport

Figura 5.24 Imagini de distribuție în suprafață a intensitatii relative a radiatiei X caracteristice WLα, CrKα, CoKα și FeKα, pe o microzonă situată la interfața strat-substrat.

Masurări de microduritate

Măsurările de microduritate s-au efectuat cu ajutorul microdurimetrului Shimadzu HMV 2T din dotarea laboratorului LAMET (prezentat in figura…), conform SR EN 1043-1:1995, SR EN ISO 6507-1:2006 și Procedura de măsurare UPB-PO-05.03.03. Au fost efectuate măsurări în linie, cu distanțe între amprente de minim 500µm.

Figura 5.26 Microdurimetru Shimadzu HMV 2T ( Laborator LAMET, UPB)

In vederea determinării celui mai mic si celui mai mare nivel de duritate a materialului de baza, a straturilor depuse prin pulverizare termică WC, G3Si1 și a stratului de crom dur, s-au efectuat mai multe determinări pentru stratul depus, pentru materialul de baza, cu o forta de incercare de 0,98 N (HV 0,1) si timp de apasare 10 zece secunde. Au fost măsurate durități atât pe suprafața materialului depus, cât și în secțiune.

Valorile măsurate pe suprafața straturilor depuse sunt prezentate în tabelul …..

Tabel….Durități pe suprafața stratului

Graficul ce rezultă cu valorile durităților anterior determinate, se prezintă în Figura 0.27

Figura 5.27 Profilele micro-durităților determinate pe suprafața celor 3 probe

Din grafic reiese că valorile durității măsurate pe suprafața epruvetei acoperite cu carbură de tungsten sunt net superioare valorilor măsurate pe suprafața epruvetei acoperite cu crom dur.

Valorile microdurităților determinate în secțiune sunt redate în Tabelele….

Tabelul 4.3 Valorile microdurităților determinate în secțiune pentru proba P1

Tabelul 4.4 Valorile microdurităților determinate în secțiune pentru proba P2

Tabelul 4.5 Valorile microdurităților determinate în secțiune pentru proba P3

Concluzii

Examinarea microscopica a celor 3 probe prelevate transversal din epruvete, ce a facut obiectul prezentului raport, a relevat :

– prezența unui strat de Cr depus pe proba P1

– prezenta unui strat intermediar de Ni si un strat de acoperire pe proba P2

– prezenta unui strat de WC pe proba P3

În cazul probei P1, s-a confirmat prin analiza de compoziție chimică, prezența Cr și Gd.

În urma analizei de compoziție chimică a probei P2, s-a evidențiat că stratul intermediar este constituit din Ni, iar stratul de acoperire conține elemente precum C, Si, Mo, P, S, Cr, Mn, Fe (în proporție de 65%), Ni.

În cazul probei P3 (WC/CoCr 86/10-4), stratul depus este constituit din cobalt, crom si carburi. Suportul este un otel cu continut scăzut de carbon (S275).

Microstructura stratului WC/CoCr 86/10-4 se constituie din carburi, partial topite si solidificate. S-a observat un anumit nivel de porozitate, fină si uniformă.

Stratul are o grosime de 550 μm, uniform, aderent si relativ compact. Nu s-au evidențiat crăpături sau exfolieri ale stratului iar interfața suport-strat este relativ continuă, puțin ondulată. Pe alocuri, in rizurile materialului suport s-au observat particule fine de oxizi sau goluri de material, provenite probabil de la operatia de sablare.

Materialul suportului este putin afectat termic de operatia de depunere a stratului. Aspectul interfeței se datorează efectului de prelucrare dinamică, cu unde de deformare mecanică care s-au produs prin efectele de impact la pulverizarea cu mare viteză

Așa cum poate fi observat din grafic, valorile microdurităților măsurate pe suprafața stratului de WC/CoCr 86/10-4 sunt net superioare celor determinate pe stratul de crom dur, valoarea medie fiind 1251 HV.

În ceea ce priveste cromul dur, duritatea determinată este uniformă, iar valorea medie determinată este pe suprafată este 650 HV. Carbura de wolfram are duritate foarte mare, însă în momentul topirii, ea reacționează cu O2. Se pot forma oxizi astfel, iar duritatea scade.

Se poate remarca în cazul probelor P1 și P3 că valorile durităților măsurate pe suprafață sunt mai mari decât cele măsurate în strat.

Facând o analiză comparativă a valorilor microdurităților pe fiecare tip de zonă, se poate concluziona :

– în cazul probei P1, în zona de influență termică, valoarea microdurității este aceeași ca cea determinată pe materialul suport ; procedeul de depunere prin electroliză nu a influențat duritatea materialului support.

– în cazul probei P2, duritățile determinate pe stratul intermediar, confirmă valori întâlnite pentru un strat moale, cum este cel de nichel.

-în cazul probei P3, se confirmă faptul că în zona de influență termică duritatea este cu 50 unități HV mai mare ; procedeul de metalizare prin pulverizare termică HVOF a produs efecte de impact la interfață, ceea ce conduce la această ușoară creștere a durității.

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND REZISTENȚA LA UZAREA DE ABRAZIUNE A STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND REZISTENȚA LA COROZIUNE ÎN MEDIU SALIN A STRATURILOR DEPUSE PRIN PULVERIZARE TERMICĂ

CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII

Concluzii finale

Contribuții originale

Contribuții teoretice originale

Contribuții experimentale originale

Direcții de cercetare ulterioare