KOROZNÍ ODOLNOST POVLAKŮ VYTVÁŘENÝCH METODOU HVOF. Olga Bláhová a, Šárka Houdková a, Miroslav Dvořák b, Martin Vizina b, Radek Enžl c

Transkript

1 KOROZNÍ ODOLNOST POVLAKŮ VYTVÁŘENÝCH METODOU HVOF. Olga Bláhová a, Šárka Houdková a, Miroslav Dvořák b, Martin Vizina b, Radek Enžl c a Západočeská univerzita v Plzni, Ústav mezioborových studií, Husova 11, Plzeň, ČR, blahova@ums.zcu.cz b Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, katedra materiálu a strojírenské metalurgie, Univerzitní 22, Plzeň, ČR c Škoda Výzkum, s.r.o., Tylova 57, Plzeň, ČR Abstrakt Pro ochranu součástí pracujících v korozně agresivním prostředí je využíváno nanášení ochranných povlaků různými metodami. V příspěvku jsou hodnoceny žárově stříkané povlaky připravené metodou HVOF (vysokorychlostní detonační nástřik), jejichž struktura má díky technologii nástřiku ve srovnání s jinými technologiemi přípravy velmi nízkou pórovitost a výbornou přilnavost k základnímu materiálu. Tyto povlaky jsou vhodné pro aplikace, ve kterých je nutné kromě korozní odolnosti zabezpečit i další vlastnosti, jako je vysoká tvrdost nebo otěruvzdornost. V příspěvku je hodnocena korozní odolnost povlaků v prostředí solné mlhy. Abstract Parts working in aggressive environment can be protected, beside other methods, by deposition of protective coatings by different methods. In the article thermal spray coatings created by HVOF method (High Velocity Oxy-Fuel) are evaluated. These coatings have a very low porosity and high adhesion to substrate material compared to other thermal spray coatings. They are acceptable for those application, where is necessary to ensure beside corrosion resistance also high hardness or wear resistance. In the article the corrosion resistance of selected thermal spray coatings under exposure to the salt spray and some solution has been evaluated. 1. ÚVOD Žárově stříkané povlaky, připravené metodou HVOF (vysokorychlostní detonační nástřik) mají velmi nízkou pórovitost a výbornou přilnavost k základnímu materiálu a díky tomu i dobrou korozní odolnost v porovnání s povlaky vytvářenými klasickými žárovými nástřiky. Korozní odolnost těchto povlaků byla hodnocena zkouškou v solné mlze (salt spray test) [1]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Povlaky byly vytvářeny z cermetových prášků metodou supersonického nástřiku HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) pomocí zařízení TAFA JP-5000 se speciálním hořákem, ve kterém dochází k hoření směsi kyslík - palivo (kerosin). Spaliny jsou urychleny v konvergentně divergentní trysce na supersonické hodnoty. Prášek je za pomoci nosného plynu (Ar) přiváděn do supersonického plamene, kde dojde k jeho natavení a výraznému urychlení (až 1000 m/s) směrem k povlakovanému vzorku. Díky vysoké rychlosti částic prášku při dopadu dojde k dokonalému rozprostření a zakotvení částic k substrátu, takže povlaky mají vysokou hustotu a dobrou přilnavost. 1

2 Relativně nízká teplota plamene může být nevýhodou při nástřiku keramických povlaků, kdy nemusí dojít k dostatečnému natavení prášku, takže se částice po dopadu na substrát nedostatečně rozprostřou. Výhodou nízkých teplot ovšem je, že zabraňují oxidaci, fázovým přeměnám a vyhořívání některých prvků nanášeného materiálu v průběhu nástřiku. Tato technologie při vhodné volbě depozičních parametrů umožňuje vytvářet povlaky s tlakovým pnutím, takže mohou mít tloušťku až několik mm. Tlakové pnutí zároveň zlepšuje únavové vlastnosti povlakovaných součástí. Povlaky byly nanášeny na ocel , která byla před nástřikem otryskána umělým korundem F22 o zrnitosti 0,8-1,0 mm při tlaku vzduchu 0,55 MPa. Povlaky byly vytvářeny z prášku o zrnitosti 15 µm - 45 µm. Při nástřiku povlaků WC-17%Co byl tlak ve spalovací komoře 800 kpa, ekvivalentní poměr (hmotnostní poměr kerosinu a kyslíku / stechiometrický poměr kerosinu a kyslíku) měl hodnotu 0,74, průtok kerosinu byl 22,7 l/hod, průtok kyslíku 1050 l/min, průtok argonu 8 l/min a tlak argonu 414 kpa [2]. Povrchová tvrdost povlaku: 93 HR 15N, drsnost povrchu (po broušení a leštění): R a = 0,1 µm. Při nástřiku povlaků Cr 3 C 2-25%NiCr byl tlak ve spalovací komoře: 600 kpa, ekvivalentní poměr (hmotnostní poměr kerosinu a kyslíku / stechiometrický poměr kerosinu a kyslíku) měl hodnotu 0,8, průtok kerosinu byl 21,2 l/hod, průtok kyslíku 900 l/min, průtok argonu 8 l/min a tlak argonu: 345 kpa [3]. Povrchová tvrdost povlaku: 93 HR 15N, drsnost povrchu (po broušení a leštění): R a = 0,1 µm. 3. EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ Korozní odolnost byla hodnocena zkouškou v solné mlze [4, 5] Vzorky byly podrobeny zkoušce solnou mlhou v mlžné komoře Korossionssalzkammer No. 245 výrobce Huber AG., Schweiz, která se skládá ze čtyř částí: zkušební komory, systému rozprašování zkušebního roztoku, elektrické ovládací a automatizační části a nosné konstrukce. Ovládací panel obsahuje ruční a strojní ovládání topení i rozprašován [6]. 4. POPIS EXPERIMENTU Cyklická zkouška solnou mlhou (ČSN EN ) se používá pro součástky nebo zařízení, které mají odolávat působení atmosféry obsahující sůl [1]. Při zkoušce se zjišťují nesouvislosti (např. póry) vzniklé v povlaku, ale může být použita i ke zjišťování znehodnocení některých nekovových materiálů v důsledku působení pohlcených solí. Norma popisuje přístroje, chemikálie a postup pro zkoušku v mlze neutrálního roztoku chloridu sodného, v mlze okyseleného roztoku chloridu sodného a chloridu měďnatého. Pro zkoušení sledovaných nástřiků byl použit roztok chloridu sodného. Zkouška korozní odolnosti proběhla za těchto podmínek: zkušební vzorky byly zbaveny nečistot v lihové lázni a následně zavěšeny v solné komoře. Vzorky byly v komoře zavěšeny v různých výškách a v různých vzdálenostech od sebe tak, aby nedošlo k dopadání rozprášených kapiček přímo z trysky jejich rozprašovací rychlostí a aby nedocházelo k dotyku vzorků, protože korozní zplodiny nesené kapkou z jednoho vzorku by po dopadnutí na druhý vzorek na něm ovlivnily proces koroze. Vzorky byly po 24 hodin vystaveny působení atmosféry 3 % roztoku chloridu sodného v destilované vodě. Rozprašování probíhalo cyklicky: v jedné hodině 5 minut byl na vzorky nanášen roztok NaCl, po zbylých 55 minut bylo rozprašování vypnuté a topení bylo zapnuté. Teplota ve zkušebním prostoru byla v rozmezí C. Relativní vlhkost neklesla + pod ( ) %. 2

3 5. DISKUZE VÝSLEDKŮ Pomocí světelného mikroskopu Nikon 100S byla hodnocena mikrostruktura povlaků na vyleštěném povrchu (Obr. 1) a na metalografickém řezu (Obr. 2-4). Mikrostruktura nástřiku WC-Co je zdokumentována na Obr. 1a a 2a. Tento povlak vykazuje vysokou hustotu, která se blíží hustotě objemového materiálu. Nástřik obsahuje málo pórů. Mikrostruktura nástřiku Cr 3 C 2 -NiCr je zdokumentována na Obr. 1b a 3a. Tmavá místa charakterizují pórovitost materiálu. Vyšší porezita nástřiku je způsobena tím, že póry se vyskytují už v jednotlivých částicích práškového materiálu. Vlivem nízké měrné hmotnosti nemají částice dostatečnou hybnost, aby došlo k odstranění těchto pórů, jak tomu bylo v případě povlaku WC-Co [2]. Povlaky připravované metodou HVOF mají díky technologii přípravy hustější a méně pórovitou strukturu ve srovnání s jinými typy žárových nástřiků, což je zřejmé z Obr. 1c a 4a, kde je znázorněna mikrostruktura nástřiku 95 MXC vytvořeného elektrickým obloukem [6], která ve srovnání s HVOF povlaky vykazuje podstatně větší míru porezity. Na snímcích je vidět lamelární struktura s póry a nedokonale natavenými částicemi, což je způsobeno podstatně nižší rychlostí depozice vrstvy, než je u systému HVOF. Na Obr.2b, 3b a 4b je na metalografickém řezu zdokumentováno korozní napadení. U povlaků vytvořených metodou HVOF (WC-Co a Cr 2 C 3 -NiCr) bylo pozorováno narušení povrchových vrstev povlaků, kde došlo k částečnému odleptávání matrice a uvolňování karbidů. U povlaku 95 MXC vytvořeného pomocí elektrického oblouku se po zkoušce objevily trhliny, které zasáhly pouze do malé hloubky pod povrch. a) b) c) Obr. 1: Vyleštěný povrch nástřiků a)wc-co b)cr 3 C 2 -NiCr c) 95 MXC (zvětšeno 200x) 3

4 Obr. 3: Struktura povlaku WC-Co Obr. 3a: Struktura povlaku WC-Co po korozní zkoušce 6. ZÁVĚR Pomocí optické mikroskopie bylo hodnoceno korozní napadení povlaků vytvořených metodou HVOF (WC-Co a Cr 2 C 3 -NiCr) v prostředí solné mlhy. Korozní zkoušky narušily pouze povrch povlaků, kde dochází k částečnému odleptávání matrice a uvolňování karbidů. V případě povlaku 95 MXC vytvořeného pomocí elektrického oblouku se místy vyskytly trhliny. Sledované otěruvzdorné povlaky tedy jsou vhodnou ochranou povrchu v prostředí solné mlhy. Tento příspěvek vzniknul v rámci výzkumného záměru MŠMT č.: MSM

5 Obr. 2: Struktura povlaku Cr 3 C 2 -NiCr Obr. 2a: Struktura povlaku 95 Cr 3 C 2 -NiCr po korozní zkoušce LITERATURA [1] ČSN EN Zkoušení vlivu prostředí, část 2. [2] ENŽL, R. Vysokorychostní nástřik povlaků na bázi karbidu wolframu. [Disertační práce] ZČU Plzeň 2001 [3] FIALA, P. Žárový nástřik povlaků na bázi karbidu chromu. [Disertační práce] ZČU Plzeň 2000 [4] YAN, D. et al. An investigation of the corrosion behavior of Al 2 O 3 -based ceramic composite coatings in dilute HCl solution. Surf. and Coat. Technol. 2001, Vol. 131, p [5] TOMA, D. et al. Wear and corrosion behaviour of thermally sprayed cermet coatings. Surf. and Coat. Technol. 2001, Vol. 138, p [6] DUCHEK, P. aj. Korozní odolnost žárových nástřiků. In Sborník z konference METAL 02. Hradec nad Moravicí: Tanger, 2002, CD ROM. 5

6 Obr. 4: Struktura povlaku 95 MXC Obr. 4a: Struktura povlaku 95 MXCpo korozní zkoušce 6