TRIBOLOGICKÉ CHARAKTERISTIKY ŽÁROVÝCH NÁSTŘIKŮ. Šárka Houdková a Dan Hasnedl a Radek Enžl b Olga Bláhová a

Transkript

1 TRIBOLOGICKÉ CHARAKTERISTIKY ŽÁROVÝCH NÁSTŘIKŮ Šárka Houdková a Dan Hasnedl a Radek Enžl b Olga Bláhová a a Ústav mezioborových studií, Západočeská univerzita v Plzni, Tylova, ČR, houdkov@ums.zcu.cz b Škoda Výzkum, s.r.o., Tylova 57, Plzeň, ,ČR, E-mai: radek.enzl@skoda.cz Abstrakt Tribologické vlastnosti povrchů součástí, zejména jejich odolnost proti opotřebení a parametry tření, rozhodují v mnoha případech o jejich funkčnosti. Jednou z možností zlepšení jejich povrchových vlastností je vytváření tvrdých, otěruvzdorných povlaků technologiemi žárového nástřiku. Aplikací těchto povlaků je možné zvýšit životnost, spolehlivost a bezpečnost povlakovaných součástí. Žárově stříkané cermetové kompozitní povlaky vykazují díky své unikátní mikrostruktuře, vynikající odolnost proti abrazivnímu a erozivnímu opotřebení, a zároveň vysokou korozní odolnost. Aby bylo možné předvídat chování, životnost a nejvhodnější oblasti aplikací jednotlivých žárových nástřiků, je nutné porozumět souvislostem mezi technologií nástřiku, procesními parametry, mikrostrukturou a vlastnostmi povlaků. Hlavním cílem příspěvku je určení míry opotřebení a parametrů tření vybraných povlaků testy abrazivního opotřebení na principu metody pin-on-disc. Abstract The tribological properties of parts surface, namely their wear resistance and friction properties, are in many cases determining for their proper function. To improve surface properties, it is possible to create hard, wear resistant coatings by thermal spray technologies. Using these versatile coatings it is possible to increase parts lifetime, reliability and safety. The thermally sprayed cermet composite coatings shows, thanks to their specific properties, excellent resistance to abrasive and erosive wear, as well as corrosion resistance. To predict the behavior, lifetime and application area of thermally sprayed cermet coatings it is necessary to completely understand the relationships between technology, process parameters, microstructure and properties of the coatings. The main aim of the presented paper is detrmination of some tribological proparties, namely wear rate a nd coeficient of friction, by means of pin-on-disc test. 1. ÚVOD Žárové nástřiky jsou perspektivní technologie poskytující funkčně efektivní povlaky o tloušťce větší než 50 µm, používané v mnoha odvětvích průmyslu. Používáním těchto flexibilních, vysoce kvalitních a ekonomických technologií je možné optimálně přizpůsobit povrchové vlastnosti součásti podmínkám, ve kterých součást pracuje. To vede k prodloužení životnosti, zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti součásti i k lepší ekonomice daného procesu. Tradiční aplikace žárově stříkaných povlaků se zaměřují především na ochranu povrchů, ale v současné době se vynořují aplikace používající povlaky jako funkční povrchy nabízející materiálovým inženýrům alternativu mezi používáním tenkých vrstev a objemových materiálů. V řadě případů - energetika, automobilový průmysl, letecký průmysl, chemický a petrochemický průmysl, lékařství - jsou technologie žárově stříkaných povlaků 1

2 nezastupitelné a sehrávají klíčovou roli při výrobě. Jejich praktický dopad na kvalitu výrobků je v technickém a ekonomickém zvyšování užitných vlastností jak v prvovýrobě, tak i v oblasti renovací: - odolnost proti mechanickému opotřebení (abraze, eroze, kavitace) - vynikající tribologické vlastnosti (samomazné, kluzné, těsnící povlaky) - odolnost proti oxidaci, korozi a proti působení agresivního chemického prostředí - odolnost proti extrémně vysokým teplotám - doplnění rozměrů, doplnění chybějícího materiálu - elektroizolační a elektrovodivé povlaky - biokompatibilní, zdravotně nezávadné povlaky - povlaky se speciálními fyzikálními vlastnostmi (supravodivost, optika, odolnost proti záření, iontově reagující povlaky) - dekorativní povlaky. ZÁKLADNÍ TRIBOLOGICKÉ CHARAKTERISTIKY.1 Tření Tření je definováno jako odpor proti vzájemnému pohybu dvou těles. Hodnotou charakterizující tření je koeficient tření µ, určený vztahem:

3 µ S 1 L τ al S τ a S1 H1 ( β ) A f β A + A + ( 1 β ) A f + βa f + A = 1 a a dl a a d 1 F H S + S S () kde Si je mez pevnosti ve smyku materiálu [Pa] L je normálové zatížení [N] β je procentuelní poměr kontaktní plochy nerovností v tlaku Aa je kontaktní plocha související s deformovanými nerovnostmi [m] τai je smykové napětí v adhezních spojích Adi je celková kontaktní plocha částic vzniklých opotřebením [m] Hi je tvrdost materiálu [Pa].1 Opotřebení Opotřebení je definováno jako úbytek materiálu z povrchu důsledkem pohybu dvou povrchů, které jsou ve vzájemném kontaktu [1]. Způsoby, jakými k úbytku materiálu dochází, jsou charakterizovány pomocí mechanizmů opotřebení. Nejčastější jsou adhezivní, abrazivní, únavový a chemický mechanizmus, avšak jejich kvalifikace je v literárních pramenech rozdílná. Při reálném kontaktu většinou působí dva a více mechanismů současně..1.1 Míra opotřebení K hodnocení opotřebení různých materiálů byl stanoven parametr K, tzv. míra opotřebení či koeficient opotřebení [1, 3]: V K = L s (3) kde V je objem opotřebovaného materiálu L je normálové zatížení s je kluzná vzdálenost Ačkoli existují i jiné vzorce pro hodnocení opotřebení, je vztah (3) v současnosti nejvhodnějším a nejrozšířenějším pro hodnocení míry opotřebení různých materiálů za různých podmínek..1.1 Odolnost proti opotřebení žárových nástřiků V případě hodnocení odolnosti proti opotřebení žárových nástřiků je nutno brát na zřetel jejich unikátní mikrostrukturu. Kromě základních materiálových charakteristik, jako je tvrdost, Youngův modul pružnosti či lomová houževnatost má na odolnost proti opotřebení vliv míra porezity nástřiku a kohezní pevnost povlaku tzn. přítomnost interlamelárních prasklin a dalších poruch, existence oxidických vrstev na hranicích jednotlivých částic a jejich velikost, tvar či kvalita rozprostření. Nejvhodnějším řešením ochrany povrchu proti opotřebení jsou cermetové žárové nástřiky. Jejich vysoká tvrdost, daná přítomností karbidických částic, zaručuje dostatečnou odolnost proti plastické deformaci, tzn. zejména proti abrazivnímu opotřebení a erozi za nízkých úhlů. Křehkost, která je s vysokou tvrdostí obvykle spojena, je v tomto případě kompenzována tvárnou kovovou houževnatou matricí, ve které jsou tvrdé karbidické částice zabudovány. Povlak je proto odolný i proti křehkému porušování, typickému pro vysokoúhlovou erozi [4, 5, 6]. 3. POPIS EXPERIMENTU 3

4 3.1 Hodnocené povlaky Měření bylo provedeno povlacích, připravených metodou vysokorychlostního nástřiku HP/HVOF na zařízení TAFA JP 5000 a metodou nástřiku elektrickým obloukem TAFA Model Použité materiály a depoziční parametry jsou uvedeny v tabulce 1 a. Pod nástřik materiálem 95 MXC byla pro zvýšení přilnavosti povlaku použita mezivrstva NiAl v tloušťce 0,1 mm. Materiálem substrátu byla ve všech případech ocel Před nástřikem povlaků byl povrch substrátu zdrsněn otryskáním pro lepší zakotvení povlaku. Pro zdrsnění byl použit tlakovzdušný tryskač DSM 4 s uzavřeným oběhem abraziva. Tryskacím médiem byl hnědý korund F o zrnitosti 0,8-1,0 mm. Tryskací tlak byl 0,55 MPa. Tryskáno bylo kolmo k povrchu substrátu ze vzdálenosti 100 mm. Tabulka 1. Parametry nástřiku pro technologii HP/HVOF Materiál povlaku WC-17%Co Cr 3 C -5%NiCr NiCrSiB Ocel AISI316L Technologie nástřiku HP/HVOF HP/HVOF HP/HVOF HP/HVOF Prášek 1343V 1375VM 175H 136F Ekvivalentní poměr 0,74 0,8 0,78 0,76 Nosný plyn Argon Argon Argon Dusík Průtok nosného plynu 8 sl/min 8 sl/min 9 sl/min 9 sl/min Délka barelu 150 mm 150 mm 100 mm 100 mm Depoziční vzdálenost 380 mm 360 mm 360 mm 360 mm Otáčky šneku 330 ot/min 00 ot/min 00 ot/min 00 ot/min podavače Rychlost posuvu 150 mm/s 150 mm/s 150 mm/s 150 mm/s Offset 7 mm 7 mm 7 mm 7 mm Tabulka. Parametry nástřiku pro nástřik elektrickým obloukem Materiál povlaku NiAl Slitinová ocel Technologie nástřiku El. oblouk El. oblouk Drát Slitina NiAl 95 MXC Napětí 30 V 31 V Proud 50 A 110 A Nosný plyn Vzduch Vzduch Depoziční vzdálenost 80 mm 100 mm Offset 13 mm 13 mm 3. Popis měření Pro hodnocení abrazivního opotřebení nástřiků byla na vyleštěném povrchu povlaků provedena zkouška na principu metody pin-on disc (obr. 4), na přístroji CSEM High Temperature Tribometer. Jako indentor byla použita Al O 3 kulička o průměru 6 mm. Pro nástřik WC-Co, Cr 3 C -NiCr, NiCrSiB a 95 MXC byly zvoleny následující parametry zatěžování (tab. 3): Pro povlak AISI 316 L byly, vzhledem k jeho nižší odolnosti proti opotřebení, zvoleny parametry (tab. 4): Obr. 4. Princip metody pin-on-disc 4

5 Tabulka 4. Podmínky měření pin-on disc nástřiku AISI 316 L Tabulka 3. Podmínky měření pin-on disc Indentor Al O 3 Zatížení 10 N Počet cyklů Poloměr dráhy mm, 3,5 mm, 5 mm Indentor Al O 3 Zatížení N Počet cyklů 0 000, 5000 Poloměr dráhy mm, 3,5 mm, 5 mm V průběhu měření byla snímána závislost okamžitého koeficientu tření na kluzné dráze (resp. na počtu cyklů). Jako koeficient tření jednotlivých materiálů je uváděna střední hodnota tření, v případě povlaku AISI 316 L střední hodnota tření do okamžiku průniku indentoru do materiálu substrátu. Pro určení míry opotřebení byly stopy po indentoru proměřeny profilometrem Hommel Tester T 1000 a pomocí softwaru Matlab byla stanovena plocha příčného řezu stopy po indentoru. Měření bylo provedeno na 6 místech pro každou stopu, byl stanoven aritmetický průměr a směrodatná odchylka. Míra opotřebení K byla stanovena aplikací vzorce (3). 4. VÝSLEDKY A DISKUSE 4.1 Koeficient tření Výsledky měření koeficientu tření žárových nástřiků metodou pin-on-disc jsou shrnuty v tabulce 5 a v grafu na obr 5. Tabulka 5. Hodnoty koeficient tření kluzné dvojice žárový nástřik-al O 3 r = mm r = 3,5 mm r = 5 mm WC-Co 0,353 ± 0,0,0 0,389 ± 0,031 0,355 ± 0,016 Cr 3 C -NiCr 0,645 ± 0,067 0,663 ± 0,089 0,634 ± 0,08 NiCrSiB 0,611 ± 0,035 0,558 ± 0,07 0,561 ± 0,07 95 MXC 0,734 ± 0,04 0,677 ± 0,069 0,73 ± 0,017 AISI 316 L 0,943 ± 0,14 0,815 ± 0,109 0,815 ± 0,060 Jak je patrné z grafu na obr. 5, nejnižší koeficient tření byl naměřen pro povlak WC-Co a povlak ze slitiny NiCrSiB. Oba typy povlaků jsou v praxi používané i jako materiál kluzných podložek s nízkým koeficientem tření. Naopak nejvyšší koeficient tření má povlak z oceli AISI 316 L. Protikusem při měření koeficientu tření byla kulička z materiálů Al O 3. Obr. 5. Koeficienty tření kluzných dvojce povlak Al O 3 5

6 Průběh měření koeficientu tření v závislosti na počtu cyklů při různých poloměrech kluzné dráhy je pro jednotlivé materiály povlaků uveden v grafech na obr. 6. a) b) c) d) e) Obr. 6. Průběh měření koeficientu tření kluzné dvojce a) HVOF nástřik WC-Co Al O 3, b) HVOF nástřik Cr 3 C -NiCr Al O 3, c) HVOF nástřik NiCrSiB Al O 3, d) nástřik el. obloukem 95 MXC Al O 3, e) HVOF nástřik AISI 316 L Al O 3 Ve všech případech byla po náběhu hodnota koeficientu tření konstantní. Na měření neměl žádný vliv poloměr dráhy protikusu. Pro jednotlivé materiály se liší charakter průběhu 6

7 závislosti koeficientu tření na počtu cyklů. V případě WC-Co průběh je průběh závislosti velmi hladký, bez výrazných výkyvů. U materiálu Cr 3 C -NiCr se na průběhu koeficientu tření projevil pravděpodobně vliv vypadávání karbidů z matrice, které způsobily rázy vedoucí k prudkým změnám koeficientu tření. 4. Míra opotřebení Výsledky hodnocení odolnosti povlaků proti abrazivnímu opotřebení ve formě tzv. míry opotřebení měřené metodou pin-on-disc, jsou shrnuty v tabulce 6 a v grafu na obr 7. Tabulka 6. Míra opotřebení žárových nástřiků K průměrná K r = mm K r = 3,5 mm K r = 5 mm WC-Co 1, ± 0, ± 0, ± 0, ± 0, Cr 3 C -NiCr 141, ± 4, ± 6, ± 11, ± 13, NiCrSiB ± 19, ± 16,.10-4 ± 39, ± 69, MXC ± 30, ± 6, ± 40, ± 16, AISI 316 L 973, ± ± 43, ± ± 407, Obr. 7. Průměrná míra opotřebení jednotlivých materiálů žárových nástřiků V tabulce 6 jsou uvedeny hodnoty míry opotřebení pro 3 různé poloměry dráhy AlO3 kuličky. Z těchto údajů je vidět, že míra opotřebení při stejném počtu cyklů N není závislá na průměru dráhy. Nejlepší odolnosti proti opotřebení dosahují cermetové povlaky, následované povlakem ze slitiny NiCrBSi. Povlak 95 MXC má nižší odolnost proti opotřebení než povlak NiCrBSi, což není v souladu s měřením mikrotvrdosti. Příčinou je pravděpodobně opět rozdílná mikrostruktura povlaku 95 MXC, připraveného metodou nástřiku elektrickým obloukem. Povlak AISI 316 L není určen pro tribologicky vysoce namáhané součásti. Ve dvojici s tvrdou Al O 3 kuličkou došlo, i při sníženém zatížení, k výrazné deformaci a opotřebení povlaku. 7

8 Vysoký rozptyl je dán prvním měřením, u něhož došlo pravděpodobně k odhalení substrátu. 5. ZÁVĚR Nejlepší tribologické charakteristiky vykazuje na základě provedených měření cermetový povlak WC-Co, a to jak z hlediska nízkého koeficientu tření, tak z hlediska vysoké odolnosti proti abrazivnímu opotřebení. Povlak WC-Co je v praxi používán pro tribologicky vysoce namáhané aplikace. Velmi dobrých výsledků dosahují také povlaky Cr C 3 a NiCrBSi. Povlak 95 MXC, přestože jeho mikrotvrdost je vyšší než u povlaku NiCrBSi [7], podléhá vyšší míře opotřebení a také jeho koeficient tření je vyšší. To je dáno jeho nehomogenní mikrostrukturou, danou technologií nástřiku. Povlak z oceli AISI 316 L není ve srovnání s ostatními testovanými povlaky, vhodný pro tribologicky náročné aplikace. Výsledky uvedené v tomto příspěvku byly získány s finanční podporou projektu MŠMT č. MSM LITERATURA [1] K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology, Elsevier, Amsterdam, (1998) [] J. Zhang et al., A Model for Friction in Quasi-steady-state sliding, Part I, Wear, 149, (1991), s.13-5 [3] R. Holm, Electric contacts, Hugo Gerbers Forlag, Stockholm, (1946) [4] S. F. Wayne, S. Sampath, Journal of Thermal Spray Technol., Vol. 5 (1), (1996), s. 69 [5] B. Arsenault, J. G. Legoux, H. Hawthorn, J. P. Immarigeon, P. Gougeon, C. Moreau, HVOF Process Optimization for the Erosion resistance of WC-1Co and WC-10Co- 4Cr Coatings, In: Thermal Spray 001: New Surfaces for a New Millenium, ASM International, Ohio, USA, (001), s [6] T. Valente, C. Bartuli, M. Tului, Thermal Sprayed Hard Cr 3 C -NiCr Coatings for Wear Protection, In: Thermal Spray 001: New Surfaces for a New Millenium, ASM International, Ohio, USA, (001), s [7] TAFA Incorporated, Concord, New Hapshire, USA: JP-5000 HP/HVOF Systém Manual, (1995) 8